冰箱是现代生活中必不可少的一部分，但它们中的大多数都依赖于一种称为蒸汽压缩的冷却机制——而涉及的蒸汽往往是强效温室气体，当它们逸入大气时，会加剧全球变暖。制冷行业已经探索改善其环境影响的方法，例如测试更环保的气体，但尚未出现向根本上新的冷却系统转变的重大举措。然而，一些科学家正在跳出“冰盒”进行思考。研究人员发现，机械地扭转然后释放某些类型的纤维可以产生所谓的扭热冷却，他们说，这有朝一日可能会带来更高效和环保的“扭力冰箱”。他们的研究成果最近发表在《科学》杂志上。
“这个冷却领域现在非常热门，”德克萨斯大学达拉斯分校艾伦·G·麦克迪尔米德纳米技术研究所所长、也是研究用类似纤维制成的人造肌肉的资深作者雷·鲍曼说。扭热冷却依赖于热能和熵之间的关系。一般来说，运动系统会随着时间的推移变得更加无序——把一把火柴扔在地板上，它们更有可能以混乱的杂乱无章的状态落地，而不是以任何有序的方式排列。整洁是可以恢复的，但需要有人花费能量来整理。
另一个例子，想象一下一根橡皮筋，它是由一束纤维组成的。在 19 世纪早期，研究人员发现拉伸橡皮筋会使其感觉更热。这种效应发生的原因是拉伸橡皮筋会使纤维排列得更整齐，无序度更低。为了发生这种熵的减少，物体必须从周围环境中吸收能量，以热量的形式。当张力释放时，熵再次增加，橡皮筋冷却下来。
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尽管这种温度变化过程已经为人所知几十年了，但任何基于该原理的实际制冷系统都需要将橡胶纤维拉伸到其原始长度的六倍才能产生足够的冷却效果。这样做将需要一个过大的容纳腔室。为了在较小的空间内达到同样的效果，鲍曼想到了扭转橡皮筋而不是简单地拉伸它。
“如果我们使用扭转，我们可以制造一台体积小得多的冰箱，”他说。“插入扭转不会改变设备的长度。但无论是拉伸盘绕的纤维，还是在恒定长度下扭转纤维，我们都在使用相同的基本过程——即扭转引起的熵变化。”他的团队用几种材料测试了这个概念，包括经典的橡皮筋、钓鱼线和镍钛合金。热像仪捕捉到纤维扭转和解开时的温度变化。
来源：德克萨斯大学达拉斯分校
让这些纤维快速解开都会产生冷却效果，但其强度因材料而异。例如，钓鱼线只产生了轻微的温度下降。但鲍曼说，镍钛和橡胶的最大温度变化分别达到了 16 度和近 21 摄氏度以上。
宾夕法尼亚州立大学的材料科学家和电气工程师张启明（未参与该新论文）说：“我认为这项[研究]真正为人们开辟了一个全新的领域，可以研究如何利用机械力在非常传统的材料中产生冷却。”
研究人员还尝试在扭转和解开纤维之前用热敏染料对其进行染色，从而在温度变化时产生视觉信号。
来源：德克萨斯大学达拉斯分校
为了获得尽可能多的冷却效果，纤维需要的不仅仅是基本的扭转。例如，对于橡皮筋，研究人员利用了卷曲效应：如果一根绳子扭转得足够多，它最终会卷成线圈。继续扭转，线圈会继续互相缠绕，这种状态称为超螺旋。在实验中使用的橡皮筋中，温度大幅下降来自于释放线圈，从而释放扭转和拉伸。
镍钛纤维甚至比橡皮筋更高效。为了从这种材料中获得最大的温度变化，鲍曼和他的同事们分别扭转了每根细丝，然后将它们全部扭转成一束，并一次性释放整个束。研究人员还基于这种配置构建了一个原型制冷装置：他们将一束三股镍钛束放在一个绝缘塑料管内，将该束扭转起来，然后在束解开时让水流过管道。当镍钛丝的温度下降时，它们使周围的液体冷却了近 8 摄氏度。当然，真正的扭力冰箱需要多次扭转和解开的循环，这就是为什么鲍曼建议他的装置可以同时用作热水器和冷却器的原因。当纤维扭转并升温时流过纤维的水将被引导到一个储液罐，而流过解开和冷却的电线上的液体将被引导到另一个储液罐。
鲍曼说，理论模型表明，镍钛合金有一天可以达到约 84% 的冷却效率，这远远高于典型蒸汽压缩冰箱的 60% 的效率。与标准设备一样，扭力冰箱将通过将冷冻冷却液流过围绕存储区域的线圈以吸收热能来冷却其内容物。但是，传统的冰箱需要以其导致温室效应而闻名的化学冷却剂。鲍曼提出，扭热过程及其更高的效率可以使用影响较小的冷却剂。
张说：“蒸汽压缩[系统]确实会产生非常强烈的温室气体。”“我们必须更换它们，否则，我们只会不断地加剧全球变暖。”