目前，作为重要的白色家电，传统冰箱依靠制冷剂循环膨胀和压缩的制冷技术已经非常成熟，但大多设备的卡诺效率难以突破60%的瓶颈(卡诺效率是一项描述制冷机能量转化效率的指标)。而且传统的冰箱在制冷过程释放出的气体正在加剧地球变暖。
随着人类对制冷需求的增加，进一步提高制冷效率、降低成本，并缩小机器的尺寸，成为当务之急。
在10月11日在线出版的《科学》上，由南开大学和得克萨斯州立大学达拉斯分校领导的国际研究团队报道了一种柔性制冷新策略，可通过加捻和解捻实现纤维制冷。这种“扭热制冷”的新技术，为制冷领域扩充了一个新的板块，或将为降低制冷领域能源损耗提供一种新的途径。
论文显示，该研究团队首次发现，通过释放扭紧的弹性材料后的解捻，能够实现将水冷却20.8℃，其制冷的卡诺效率可以达到67%。
一根制冷“麻花”的诞生
早在1802年，人们就发现一根拉紧的橡皮筋释放后会降温。
“基于天然橡胶的弹热制冷早在19世纪早期就已经被发现了。但是要得到较好制冷效果，需要预先将橡胶拉伸到很长的尺寸，” 得克萨斯州立大学达拉斯分校(UT Dallas)麦克德尔米德纳米技术研究所的Ray Baughman教授说，“通过‘扭热制冷’技术，你只需要解捻就可以实现。”
文章作者之一、天津理工大学材料科学与工程学院教授印寿根告诉《中国科学报》，这种弹性热效应是由于释放后橡皮筋发生相变，引起熵的改变，从环境中吸收热量所导致的。这种效应对于形状记忆材料尤为显著。
1834年，第一台基于蒸汽压缩制冷的冰箱制成。经过一百多年的发展，这类制冷技术逐渐成熟，用其制成的冰箱、空调等白色家电成为了现代家居重要的组成部分。然而，蒸汽压缩制冷的效率普遍低于60%，同时，对于制冷原理的探索停留在压缩和弹性作用，“扭热制冷”并没有进入到人们的视野里。
2016年左右，刘遵峰课题组正在用橡胶研制人造肌肉，一次实验中，研究人员发现橡胶扭动后可以升温，解捻后可以降温。经过优化，将橡胶拉长一倍加捻，再解捻后会降温15.5摄氏度。
这项发现打开了制冷技术的一扇新大门。
文章作者之一、中国药科大学理学院副教授周湘告诉记者，为了寻找适用于解捻制冷的材料，研究人员做了很多尝试，由于橡胶太软，需要捻很多圈才能观察到制冷效果，所以研究人员测试了硬度更大的镍钛记忆合金。
理论上，镍钛合金的卡诺效率可以达到84%，在实验中，单根镍钛合金最多可以降温17.0摄氏度，四根一股的镍钛合金甚至能降温20.8摄氏度。
由于镍钛合金价格昂贵，研究人员又测试了更易获得的聚乙烯和尼龙钓鱼线，也取得了降温5.1摄氏度的成果。
原理新、效率高、成本低且环保
刘遵峰对《中国科学报》说，解捻制冷有原理新、效率高、成本低、绿色环保等诸多优点。
为研究聚乙烯鱼线的制冷原理，研究人员采用X射线衍射对加捻的螺旋纤维拉伸前后进行了观测。结果显示，螺旋结构的纤维拉伸后，其低熵态结构部分转变为高熵态。刘遵峰表示，这种相转变是实现聚乙烯鱼线扭热制冷的本质原因。
“解捻制冷在压力、弹力以外利用了扭矩，因此同样的制冷量下解捻制冷从外界输入的功最少。”在解释解捻制冷的原理优势时，刘遵峰这样说道。
“效率是最核心的目标。”印寿根告诉记者。对于压缩制冷，无论是材料还是器件设计，都从来没有获得这么高的卡诺效率(67%)，这一点得到了审稿人的特别肯定。
“这项实验不需要使用特别的超弹性材料，就获得了熵的变化。”印寿根说。
而且，由于后期的实验使用了成本低廉的聚乙烯钓鱼线，极大地降低了成本，使得这种创新技术未来更具竞争优势。
刘遵峰说：“相对蒸汽压缩制冷，解捻制冷的相关材料、器件都是固态的，没有温室效应，更不会破坏臭氧层。”而且设备体积小、耗能低，有利于家电的绿色、节能、环保。
5G背景下大有可为
刘遵峰说，在未来的工作中会试验更多的新型材料，寻找在同样的扭力作用下熵变最高，并能够在成本和效率之间取得平衡的纤维材料。
同时，他们也在探索研制第一台原型制冷机，并期待与制冷企业合作，早日把这项技术用起来。
刘遵峰还认为，可以摸索解捻制冷技术在可穿戴柔性电子领域的应用场景。在论文中，研究人员还试验了涂有热致变色涂料的橡胶在加解捻过程中的变化，并观察到了变色效果。如果能够将类似具有制冷和变色功能的材料编入衣物，不仅能够更好地在运动时帮助人体和佩戴的电子产品散热，还能制备传感器和智能变色织物。
印寿根认为，在5G技术开始商用的背景下，设备的连接密度加大，不断增加的智能家居设备对散热会有更高的要求，基于解捻制冷原理的制冷机效率更高，将大有可为。
“你看，天体都是旋转的。”刘遵峰对说，“这是宇宙节省能量的方法。”
不过，研究团队也同意，这些初步的发现，距离“扭热制冷冰箱”的商业化依然有很长的路要走，未来存在很多机遇与挑战。
“这些挑战包括开发新型的器件与材料以提高循环使用寿命，合理利用输入功以提高效率。”Ray Baughman说，“而潜在的机遇则包括，除使用商业化的现有材料，进一步优化‘扭热制冷’材料，获得最佳性能。”
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