Ett internationellt team som leds av forskare vid The University of Texas i Dallas och Nankai University i Kina har upptäckt en ny teknik för kylning som är baserad på vridande och vridbara fibrer.

I forskning publicerad i tidningen 11 oktober Vetenskap , de demonstrerade vridbaserad kylning med hjälp av så olika material som naturgummi, vanlig fiskelinje och nickeltitantråd.

"Vår grupp har visat det vi kallar" twistocaloric kylning "genom att ändra vridningen i fibrer. Vi kallar kylare som använder vridbyten för kylning" vridkylskåp, '' sa Dr Ray Baughman, chef för Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute vid UT Dallas. Baughman är en motsvarande författare till studien, tillsammans med Dr Zunfeng Liu, en professor i State Key Lab of Medicinal Chemical Biology vid College of Pharmacy vid Nankai University i Tianjin.

Jakten på ny teknik

Enligt International Institute of Refrigeration, kylning och luftkonditionering förbrukar cirka 20% av global elektrisk energi. Konventionella kylskåp släpper också ut gaser som avsevärt bidrar till den globala uppvärmningen.

När konsumtionen fortsätter att öka, särskilt på grund av de ökande behoven hos utvecklingsländer, forskare undersöker alternativ kylteknik för att öka kyleffektiviteten, sänka kostnaderna och minska storleken.

Att sträcka ut ett gummiband värmer upp gummit, och släppa sträckan kyler det:Detta kallas elastokalorisk kylning. Andra fasta ämnen för kylning inkluderar elektrokaloriska och magnetokaloriska material, som svalnar via förändringar i elektriska och magnetiska fält, respektive.

"Detta elastokaloriska beteende hos naturgummi har varit känt sedan början av 1800 -talet. Men för att få hög kylning från ett gummiband, du måste släppa en mycket stor sträcka, "Sa Baughman." Med twistocaloric kylning, vi fann att allt du behöver göra är att släppa twist. "

Experimenten

Baughmans forskargrupper har tidigare utvecklat konstgjorda muskler gjorda av hårt vridande och lindande fibrer som sträcker sig från garn av kolnanorör till vanligt nylontråd och polyetylen.

I det pågående arbetet, forskarna sträckte gummifibrer, sedan vrid dem tills de inte bara lindade, men också supercoiled. Snabb frigöring av vridningen resulterade i kylning av yttemperaturen på 15,5 grader Celsius. Att släppa både vridningen och sträckan från gummit gav ännu högre kylning på 16,4 grader Celsius.

Twistokalorisk kylning fungerade också för fiskelina. Forskarna satte in vridning i icke -elastiskt polymerfiske tills spolar bildades. Sträckning av den lindade fibern orsakade uppvärmning, medan stretch release gav en maximal ytkylning på 5,1 grader Celsius.

"Genom att använda motsatta riktningar för vridning och spolning, vi konstruerade fibrer som svalnar när de sträcks, "sa Baughman, Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry vid Naturhögskolan. "Detta är ganska ovanligt beteende eftersom vanliga material värms upp när de sträcks."

För att undersöka ursprunget för den kylande effekten i fiskelinjen, forskarna vände sig till röntgenkristallografi, vilket gjorde att de kunde avgöra vad som hände på molekylär nivå när vridningen ändrades genom att sträcka en lindad fiber.

"Vi fann att frisläppande av sträckning från en lindad fiber resulterar i partiell omvandling av en låg entropifas till en hög entropifas, "Sade Liu." Denna fasförändring orsakar twistocaloric kylning. "

Potentiella applikationer

Stor reversibel kylning uppnåddes också genom att ta bort vridning från nickeltitantrådar och genom att lossa buntar av dessa trådar. En maximal ytkylning på 17 grader Celsius observerades när forskarna avvecklade en enda tråd. Upplösning av ett fyrtrådsbunt gav ännu högre kylning på 20,8 grader Celsius.

Forskarna placerade en trelagig nickeltitankabel i en enhet de byggde som kylde en vattenström med upp till 7,7 grader Celsius när kabeln lossades. "Genom att använda ytterligare cykler av twist och twist release, mycket högre kylning kan uppnås, "Sa Liu.

I en annan uppsättning experiment, de belagde de olika fibrtyperna med termokrom färg, som ändrar färg som svar på temperaturvariationer som produceras av vridande fibrer eller sträckande lindade fibrer. Sådana fibrer kan användas för fjärrläsbara sensorer för töjning och vridning, liksom för färgförändrande textilier för kläder.

"Många utmaningar och möjligheter finns på vägen från dessa första upptäckter till kommersialisering av vridkylskåp för olika stora och små applikationer, "Baughman sa." Bland utmaningarna är behovet av att demonstrera raffinerade enheter och material som ger applikationsriktade cykeltider och effektivitet genom att återvinna en del av den inmatade mekaniska energin. Möjligheterna inkluderar att använda prestandaoptimerade twistocaloric-material, snarare än de få som för närvarande studeras kommersiellt tillgängliga kandidater. "