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生活科普：小小一根皮筋居然可以造冰箱？
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生活科普：小小一根皮筋居然可以造冰箱？
小小一根皮筋
除了用来扎头发
竟然还可以做成一台“制冷”冰箱
what？
这是什么逆天操作
《科学》杂志的最新研究中，得克萨斯大学达拉斯分校和南开大学合作研究团队发现了一种基于加捻和解捻的制冷新技术，验证了“扭热效应”的制冷潜力。
上图是覆盖了热致变色涂层的天然橡胶。当橡胶纤维加捻时温度上升（图中黄色部分），到达室温后，纤维解捻，温度随之下降（图中棕色）
拉伸橡皮筋就可以制热制冷？
众所周知，冰箱的制冷过程是一个卡诺循环，而其中的关键就是制冷剂：
但是，液态制冷剂的卡诺效率只有60%左右，因此制冷需要消耗大量能源。
有数据显示，全球约20%的电能，都用在了冰箱及空调制冷上。
与此同时，制冷工艺还释放了大量温室气体，一旦制冷液泄露，更会直接威胁到生态环境。
因此，寻找更加高效、环保的制冷方式，一直以来都是众多研究团队探索的目标。
“弹热效应”的发现
1805年，英国实验哲学家约翰·高夫首次观察到弹热效应。
高夫在拉伸橡皮筋时发现，如果在嘴唇跟前拉伸橡皮筋，嘴唇可以感受到空气的升温，而当橡皮筋弹回，嘴唇感受到的则是一丝凉意。
高夫就在这样不断拉伸过程中发现了热量变化。多年后，著名物理学家詹姆斯·焦耳进一步确认了弹热效应。
拉伸橡皮筋会使橡胶升温，利用释放橡皮筋会使其降温，达到制冷的效果。
其他用于冷却的固体物质还包括电热和磁热材料，它们分别通过电场和磁场的变化来进行冷却。
如果要使橡皮筋具有较高的冷却能力，就必须释放很大的弹力，目前显然不能够达到。
“扭曲”比“拉伸”产生更大能量
如何在弹热装置的基础上，打造更加实用的制冷装置？研究人员想到了拉伸之外的另一种变化——扭曲。
研究人员表示，此前在进行人工肌肉等材料研究时，常常对材料施加扭曲力以及解除扭曲力，这一过程恰好伴随了热量的释放与吸收。
为了验证了这个想法，研究人员首先对多种纤维进行测试：
固定住橡胶的两端后，然后将橡胶拉伸1倍的同时，施加不同程度的扭曲力。
这时，橡胶纤维分别处于如下图所示的四种状态：扭曲、部分螺旋、完全螺旋和超螺旋，四种状态的扭曲幅度依次增加。
随后，研究者快速释放扭曲力，并观察该过程中的热量变化。
结果不出所料：扭曲程度越高，橡胶纤维被释放时的降温越明显。而且，扭热的降温效果远超单纯的弹热效应。
如果仅仅拉伸橡胶，需要将橡胶纤维拉长7倍，才能达到相近的降温效果。
实验证明：扭热效应在高效制冷中的潜力。
“捻热制冷”的潜在应用
研究人员通过使用镍钛合金，打造了一个“扭热冰箱”的原型。这个小型冰箱模型中用了3根镍钛记忆合金丝。
装置将3根合金丝的两端固定后同时加捻，随后解捻，就能一个制冷循环。对装置出口处水温的监测显示，这个“扭热冰箱”让水温下降了7.7℃。
通过对镍钛合金丝进行解捻也可实现大的可逆冷却，可用于冰箱制冷。
另外，研究人员还做了一组实验。
实验中，研究人员对不同类型的纤维涂覆了热致变色涂料，在纤维加捻或解捻的过程中，可以观察到涂料随温度变化而改变颜色。
此类纤维可用于制造对应变和捻度的远程可读传感器，用于服装变色纺织品。
现在研究团队也正在寻找抗疲劳、导热性更好的复合高分子材料，以提升制冷表现，进一步优化“捻热制冷材料，获得最佳的性能。
小小一根皮筋
除了用来扎头发
竟然还可以做成一台“制冷”冰箱
what？
这是什么逆天操作
拉伸橡皮筋就可以制热制冷？
众所周知，冰箱的制冷过程是一个卡诺循环，而其中的关键就是制冷剂：
- 低温的液态制冷剂在蒸发器中吸收冰箱中的热量并汽化；
- 蒸汽进入压缩机，被压缩成高压气体后排出；
- 高压气体进入冷凝器，凝结成高压液体；
- 液体流经膨胀阀时压力降低，进入蒸发器。
有数据显示，全球约20%的电能，都用在了冰箱及空调制冷上。
与此同时，制冷工艺还释放了大量温室气体，一旦制冷液泄露，更会直接威胁到生态环境。
因此，寻找更加高效、环保的制冷方式，一直以来都是众多研究团队探索的目标。
1805年，英国实验哲学家约翰·高夫首次观察到弹热效应。
高夫在拉伸橡皮筋时发现，如果在嘴唇跟前拉伸橡皮筋，嘴唇可以感受到空气的升温，而当橡皮筋弹回，嘴唇感受到的则是一丝凉意。
拉伸橡皮筋会使橡胶升温，利用释放橡皮筋会使其降温，达到制冷的效果。
其他用于冷却的固体物质还包括电热和磁热材料，它们分别通过电场和磁场的变化来进行冷却。
“扭曲”比“拉伸”产生更大能量
如何在弹热装置的基础上，打造更加实用的制冷装置？研究人员想到了拉伸之外的另一种变化——扭曲。
为了验证了这个想法，研究人员首先对多种纤维进行测试：
这时，橡胶纤维分别处于如下图所示的四种状态：扭曲、部分螺旋、完全螺旋和超螺旋，四种状态的扭曲幅度依次增加。
随后，研究者快速释放扭曲力，并观察该过程中的热量变化。
如果仅仅拉伸橡胶，需要将橡胶纤维拉长7倍，才能达到相近的降温效果。
实验证明：扭热效应在高效制冷中的潜力。
研究人员通过使用镍钛合金，打造了一个“扭热冰箱”的原型。这个小型冰箱模型中用了3根镍钛记忆合金丝。
通过对镍钛合金丝进行解捻也可实现大的可逆冷却，可用于冰箱制冷。
另外，研究人员还做了一组实验。
实验中，研究人员对不同类型的纤维涂覆了热致变色涂料，在纤维加捻或解捻的过程中，可以观察到涂料随温度变化而改变颜色。
现在研究团队也正在寻找抗疲劳、导热性更好的复合高分子材料，以提升制冷表现，进一步优化“捻热制冷材料，获得最佳的性能。
听说，打赏我的人最后都找到了真爱。
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