无论它们是放在您的厨房中还是个人电脑内部，冰箱和其他冷却设备通常都很笨重、噪音大且经常耗电。宾夕法尼亚州立大学的一个团队最近发现，当移除施加的电场时，某些塑料会显著冷却——12摄氏度。如果这项技术可行，由此产生的固态冷却器可以高效且安静地消除热量，例如来自集成电路板的热量，从而实现更小、更快的计算机。
工程师们早就知道所谓的电卡物质，当外部电场撤除时，它们的温度会下降，但冷却量要么在实际温度下太小，要么发生在太高的温度下而无法使用。例如，有效的芯片冷却需要比典型工作温度（约 85 摄氏度）至少降低 10 摄氏度，位于加利福尼亚州圣克拉拉的微电子行业市场研究公司 VLSI Research 的首席执行官 G. Dan Hutcheson 说。计算机通常需要散热器、散热片、风扇、热管甚至液基热泵来排出多余的热量。
领导该团队的宾夕法尼亚州立大学电气工程师张启明表示，如果成功，这项新技术应该是紧凑的，并且至少比传统的冷却技术节能 10 倍。该小组发现，当在低至 55 摄氏度的环境温度下用 120 伏电压照射时，微米厚的聚偏二氟乙烯共聚物薄膜（聚偏二氟乙烯三氟乙烯）会升温 12 摄氏度。这种升温比该温度范围内的其他电卡材料（主要是陶瓷）提高了数量级。
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张教授过去曾研究过在电场下改变形状的塑料“人造肌肉”，他说多年前他就“开始思考将冰融化成水，这是冷却物体最有效的方法之一”。这种效应基于相变，其中有序系统（固体冰）转变为无序系统（液态水）。随着时间的推移，科学家们发现了几种有希望的聚合物，其中施加的电压会导致原子或分子对齐，从而产生更大的有序性。
张教授报告说，电卡材料由长分子链组成，一端带正电荷，另一端带负电荷。这些偶极链可以自由移动，通常是随机定向的。但他表示，“当您施加电场时，偶极子会倾向于旋转，直到它们与电场对齐。” 从热力学角度来看，这种分子有序性降低了系统的熵，因此系统通过升温来补偿，这是能量守恒的结果。当电场断开时，链会随机化，聚合物会冷却。相比之下，电卡陶瓷的刚性微观结构“只能移动一点点”，张教授指出，这解释了它们微弱的温度响应。聚合物还可以吸收七倍于陶瓷的热量。
在理想的固态冰箱中，冷却循环从聚合物与被冷却物体之间的接触断开时开始，从而热隔离聚合物。施加的电场导致聚合物的温度升高。然后将其与散热器进行短暂的热接触，散热器吸收聚合物所具有的任何热量和熵。接下来，聚合物与散热器隔离；然后降低电场，这会降低聚合物的温度，使其能够再次冷却目标物体。
一个可行的系统尤其可能对计算机行业有利。英特尔公司位于俄勒冈州希尔斯伯勒的高级电源/热工程师 Benson Inkley 评论说，硅芯片的运行温度高于获得最佳性能所需的温度。Inkley 表示，使用电卡塑料进行冷却提供了有趣的可能性：“想象一下用一层聚合物覆盖整个电路板，实际上形成一个冷却毯。”
但张教授强调，他的聚合物尚不实用。一个缺点是它需要 120 伏电压，远高于便携式设备中可用的几伏电压。
然而，他仍然保持乐观，并认为这种方法可以扩展到微电子领域之外。基于聚合物的更大冰箱的开发取决于找到在相邻温度范围内表现出这种效应的各种其他物质。这样，正确的组合可以作为“温度阶梯”运行，逐步排出热量。张教授说：“这可能是开发电场冰箱的第一步”——一种没有笨重的线圈或嘈杂的压缩机的冰箱。有一天，冷却野餐冰桶可能意味着拨动开关，而不是装满冰块。
用晶体冷却
宾夕法尼亚州立大学工程师张启明表示，其他移动偶极分子可能提供优于聚偏二氟乙烯共聚物的固态冷却。尤其有希望的是在平板液晶显示器 (LCD) 上形成图像的分子。液晶包含棒状偶极子，这些偶极子与电场对齐，并在移除电场时恢复到其原始排列。张教授目前尚不确定棒末端的电荷是否会对施加的电场产生足够强的响应。
注意：这篇文章最初以标题“塑料冷却器”印刷。