冰箱是現代生活中必不可少的一部分，但它們中的大多數都依賴於一種稱為蒸汽壓縮的冷卻機制——而涉及的蒸汽往往是強效溫室氣體，當它們逸入大氣時，會加劇全球變暖。製冷行業已經探索改善其環境影響的方法，例如測試更環保的氣體，但尚未出現向根本上新的冷卻系統轉變的重大舉措。然而，一些科學家正在跳出“冰盒”進行思考。研究人員發現，機械地扭轉然後釋放某些型別的纖維可以產生所謂的扭熱冷卻，他們說，這有朝一日可能會帶來更高效和環保的“扭力冰箱”。他們的研究成果最近發表在《科學》雜誌上。
“這個冷卻領域現在非常熱門，”德克薩斯大學達拉斯分校艾倫·G·麥克迪爾米德奈米技術研究所所長、也是研究用類似纖維製成的人造肌肉的資深作者雷·鮑曼說。扭熱冷卻依賴於熱能和熵之間的關係。一般來說，運動系統會隨著時間的推移變得更加無序——把一把火柴扔在地板上，它們更有可能以混亂的雜亂無章的狀態落地，而不是以任何有序的方式排列。整潔是可以恢復的，但需要有人花費能量來整理。
另一個例子，想象一下一根橡皮筋，它是由一束纖維組成的。在 19 世紀早期，研究人員發現拉伸橡皮筋會使其感覺更熱。這種效應發生的原因是拉伸橡皮筋會使纖維排列得更整齊，無序度更低。為了發生這種熵的減少，物體必須從周圍環境中吸收能量，以熱量的形式。當張力釋放時，熵再次增加，橡皮筋冷卻下來。
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儘管這種溫度變化過程已經為人所知幾十年了，但任何基於該原理的實際製冷系統都需要將橡膠纖維拉伸到其原始長度的六倍才能產生足夠的冷卻效果。這樣做將需要一個過大的容納腔室。為了在較小的空間內達到同樣的效果，鮑曼想到了扭轉橡皮筋而不是簡單地拉伸它。
“如果我們使用扭轉，我們可以製造一臺體積小得多的冰箱，”他說。“插入扭轉不會改變裝置的長度。但無論是拉伸盤繞的纖維，還是在恆定長度下扭轉纖維，我們都在使用相同的基本過程——即扭轉引起的熵變化。”他的團隊用幾種材料測試了這個概念，包括經典的橡皮筋、釣魚線和鎳鈦合金。熱像儀捕捉到纖維扭轉和解開時的溫度變化。
來源：德克薩斯大學達拉斯分校
讓這些纖維快速解開都會產生冷卻效果，但其強度因材料而異。例如，釣魚線只產生了輕微的溫度下降。但鮑曼說，鎳鈦和橡膠的最大溫度變化分別達到了 16 度和近 21 攝氏度以上。
賓夕法尼亞州立大學的材料科學家和電氣工程師張啟明（未參與該新論文）說：“我認為這項[研究]真正為人們開闢了一個全新的領域，可以研究如何利用機械力在非常傳統的材料中產生冷卻。”
研究人員還嘗試在扭轉和解開纖維之前用熱敏染料對其進行染色，從而在溫度變化時產生視覺訊號。
來源：德克薩斯大學達拉斯分校
為了獲得儘可能多的冷卻效果，纖維需要的不僅僅是基本的扭轉。例如，對於橡皮筋，研究人員利用了捲曲效應：如果一根繩子扭轉得足夠多，它最終會捲成線圈。繼續扭轉，線圈會繼續互相纏繞，這種狀態稱為超螺旋。在實驗中使用的橡皮筋中，溫度大幅下降來自於釋放線圈，從而釋放扭轉和拉伸。
鎳鈦纖維甚至比橡皮筋更高效。為了從這種材料中獲得最大的溫度變化，鮑曼和他的同事們分別扭轉了每根細絲，然後將它們全部扭轉成一束，並一次性釋放整個束。研究人員還基於這種配置構建了一個原型製冷裝置：他們將一束三股鎳鈦束放在一個絕緣塑膠管內，將該束扭轉起來，然後在束解開時讓水流過管道。當鎳鈦絲的溫度下降時，它們使周圍的液體冷卻了近 8 攝氏度。當然，真正的扭力冰箱需要多次扭轉和解開的迴圈，這就是為什麼鮑曼建議他的裝置可以同時用作熱水器和冷卻器的原因。當纖維扭轉並升溫時流過纖維的水將被引導到一個儲液罐，而流過解開和冷卻的電線上的液體將被引導到另一個儲液罐。
鮑曼說，理論模型表明，鎳鈦合金有一天可以達到約 84% 的冷卻效率，這遠遠高於典型蒸汽壓縮冰箱的 60% 的效率。與標準裝置一樣，扭力冰箱將透過將冷凍冷卻液流過圍繞儲存區域的線圈以吸收熱能來冷卻其內容物。但是，傳統的冰箱需要以其導致溫室效應而聞名的化學冷卻劑。鮑曼提出，扭熱過程及其更高的效率可以使用影響較小的冷卻劑。
張說：“蒸汽壓縮[系統]確實會產生非常強烈的溫室氣體。”“我們必須更換它們，否則，我們只會不斷地加劇全球變暖。”