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3天內連續發表Science和Nature，南開大學、劍橋大學在這個“非熱門”領域取得新進展！

小納米納米人 2019-10-23

圖丨pixabay

注：本文部分內容來源于南開大學新聞網公開信息，僅用于學術交流。

據國際制冷研究機構的數據統計，目前世界上使用空調和冰箱制冷所消耗的電能約占全球電能損耗的20%。并且耗電量隨地球變暖和發展中國家制冷的需求增加將繼續增加。傳統的使用空氣壓縮原理進行制冷的技術，其卡諾效率一般低于60%，制冷中釋放出的大量氣體將進一步加劇地球溫室效應。

探索新型的制冷理論和方案，提高制冷效率是當今科學界亟待解決的問題。此外，進一步降低成本、減小體積也是人們的需求。

在這樣的背景下，一些新型的的制冷技術應運而生。譬如彈熱制冷、電熱制冷、磁熱制冷、以及鎳鈦合金形狀記憶材料制冷方案等等。這些新型制冷技術普遍存在卡諾效率偏低的問題。

2019年10月9日和2019年10月11日，三天時間內，Nature和Science分別發表了關于新型制冷技術的新進展，這一“非熱門”研究領域又迎來了新的春天。

10月9日，劍橋大學N. D. Mathur、X. Moya和日本村田制作所S. Hirose等人設計了一種高效的電熱制冷元件，將電熱制冷推向了一個新的高度。這種電熱制冷元件是一個多層電容器（MLC），由多層松弛鐵電PbSc_0.5Ta_0.5O₃（PST）層制成，厚度約為40μm，通過Pt內部電極實現互連。

研究人員在基于PbSc_0.5Ta_0.5O₃的多層電容器中發現MLC表現出較高的溫度變化，超臨界可驅動一階鐵電相變，從而在室溫條件下實現了高達5.5K的電熱響應。更重要的是，該元件具有較寬的工作溫度范圍和較高的ΔT，在超過100 K的范圍內超過ΔT≈3 K），使其優于市場上基于Gd的磁熱制冷產品。

圖1. Sc/Ta有序的PST MLC在寬溫區內的大EC效應

實際上，MLC由于可以通過施加更高電場實現更高的ΔT，早已被認為是電熱制冷劑的覺得元件之一。除此之外，由于MLC具有多層結構，因而具有足夠的活性物質可泵送，釋放大量的熱量。到目前為止，基于電熱制冷的MLC所采用的材料均基于鐵電材料BaTiO₃，聚合物聚偏二氟乙烯（PVDF）和弛豫劑PbMg_1/3Nb_2/3O₃（PMN）。

本研究的所采用的PST材料臨界溫度接近室溫，并且與一階相變相關，從而能產生較大的潛熱，并且可能使Sc/Ta在ABO₃鈣鈦礦結構的B位實現化學有序化，使得轉變過程中的性質和強度得到調控。

圖2. E-T相變示意圖

作者成功地設計了Sc/Ta有序材料，該材料電熱響應能力得到顯著提高。更重要的是，基于Landau計算表明，在較寬溫度范圍內，較大的電熱響應是使用電場超臨界驅動的。總體來說，這項研究通過材料的調整，實現了高效的電熱制冷元件，為電熱制冷技術打開了新局面。

緊接著，10月11日，南開大學劉遵峰教授與美國德克薩斯州立大學達拉斯分校的Ray Baughman教授等人合作報道了一種扭熱制冷新策略。作者基于纖維的加捻和解捻分別實現加熱和降溫，適用于多種纖維材料，包括橡膠彈性體和剛性纖維，如魚線、編織線、以及鎳鈦合金，卡諾效率最高可達到67%。

圖3. 不同扭曲的纖維

基于橡膠纖維的“扭熱制冷”優勢是體積小。其所需的體積僅為彈熱制冷的七分之二，而獲得的降溫幾乎相同。將橡膠纖維安裝在盛有水的塑料管狀容器中，使用該“扭熱制冷”技術，橡膠的整體平均降溫為11.3 ℃，制冷能量密度為19.4 J/g。這幾乎接近于彈熱制冷達到的降溫：拉長7倍的橡膠釋放后降溫為12.2℃，制冷能量密度為21.6 J/g。

圖4. 天然橡膠纖維被拉伸-扭轉以及釋放扭轉與拉伸后的最大溫度變化圖（橡膠直徑為2.2mm）

研究人員基于該“扭熱制冷”技術，制作了一個空調模型，可以對流動的水進行降溫。使用三根鎳鈦合金絲作為制冷材料，解捻0.87 turns/cm可以獲得7.7攝氏度的降溫。

研究人員將鎳鈦合金絲表面涂覆熱致變色涂料，可以制成“扭熱制冷”變色纖維。在加捻和解捻過程中，該纖維會發生可逆的顏色變化。它可以用作新型傳感元件，對纖維捻度進行遠程光學測量。比如，通過肉眼觀察顏色的變化，就可以知道遠處的材料轉了幾圈。

圖5. 使用鎳鈦合金絲或彈性體纖維的“扭熱制冷”裝置可以對流水進行降溫

該“扭熱制冷”變色纖維也可以通過在聚乙烯纖維螺旋表面涂覆熱致變色涂料制成。這種纖維可以被用作可穿戴、肉眼可讀的傳感器，以及智能變色織物。比如，通過將纖維拉長一點點，使它的顏色發生變化，就可以給遠處的人發出信號，傳遞各種信息，比如危險信號、需要求助、是否可以通行等等。做在衣服里面，通過長度變化來進行變色，就像羽毛可以變色的鳥兒一樣，成為一種新潮的裝飾或衣服等。