Forskning viser, at det er varmt at gøre twist, at slappe af er fedt

Et internationalt hold ledet af forskere ved The University of Texas i Dallas og Nankai University i Kina har opdaget en ny teknologi til køling, der er baseret på vridning og afvikling af fibre.

I forskning offentliggjort i 11. oktober-udgaven af ​​tidsskriftet Videnskab , de demonstrerede twist-baseret køling med så forskellige materialer som naturgummi, almindelig fiskeline og nikkel titantråd.

"Vores gruppe har demonstreret, hvad vi kalder 'twistokalorisk køling' ved at ændre snoet i fibre. Vi kalder kølere, der bruger twist-ændringer til køling, 'twist køleskabe, '" sagde Dr. Ray Baughman, direktør for Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute ved UT Dallas. Baughman er en tilsvarende forfatter til undersøgelsen, sammen med Dr. Zunfeng Liu, en professor i State Key Lab of Medicinal Chemical Biology i College of Pharmacy ved Nankai University i Tianjin.

Jagten på ny teknologi

Ifølge International Institute of Refrigeration, køling og aircondition forbruger omkring 20 % af den globale elektriske energi. Konventionelle køleskabe frigiver også gasser, der bidrager væsentligt til den globale opvarmning.

Efterhånden som forbruget fortsætter med at vokse, især på grund af udviklingslandenes stigende behov, forskere undersøger alternative køleteknologier for at øge køleeffektiviteten, lavere omkostninger og reducere størrelsen.

At strække et gummibånd opvarmer gummiet, og frigivelse af stræk køler det:Dette kaldes elastokalorisk køling. Andre faste stoffer til afkøling omfatter elektrokaloriske og magnetokaloriske materialer, som afkøles via ændringer i elektriske og magnetiske felter, henholdsvis.

"Denne elastokaloriske adfærd af naturgummi har været kendt siden begyndelsen af ​​1800-tallet. Men for at få høj afkøling fra et gummibånd, du skal slippe en meget stor strækning, " sagde Baughman. "Med twistocaloric køling, vi fandt ud af, at alt hvad du skal gøre er at frigive twist."

Eksperimenterne

Baughmans forskerhold har tidligere udviklet kunstige muskler lavet af stramt snoede og oprullede fibre, der spænder fra carbon nanorørgarn til almindelig nylontråd og polyethylen fiskeline.

I det nuværende arbejde, forskerne strakte gummifibre, så snoede dem, indtil de ikke kun snoede sig, men også supercoiled. Hurtig udløsning af snoet resulterede i overfladetemperaturafkøling på 15,5 grader Celsius. At slippe både snoet og strækningen fra gummiet gav endnu højere afkøling på 16,4 grader Celsius.

Den twistocaloriske afkøling fungerede også for fiskesnøre. Forskerne indsatte twist i ikke-elastisk polymer fiskesnøre, indtil der dannedes spoler. Strækning af den oprullede fiber forårsagede opvarmning, mens stretch release gav en maksimal overfladekøling på 5,1 grader Celsius.

"Ved at anvende modsatte retninger af snoning og spiral, vi konstruerede fibre, der afkøles, når de strækkes, " sagde Baughman, Robert A. Welch Distinguished Chair i Kemi på School of Natural Sciences and Mathematics. "Dette er ret usædvanlig adfærd, da almindelige materialer opvarmes, når de strækkes."

For at undersøge oprindelsen af ​​køleeffekten i fiskelinen, forskerne henvendte sig til røntgenkrystallografi, hvilket gjorde det muligt for dem at bestemme, hvad der skete på molekylært niveau, når snoningen blev ændret ved at strække en oprullet fiber.

"Vi fandt ud af, at frigivelse af stræk fra en oprullet fiber resulterer i delvis omdannelse af en laventropifase til en højentropifase, " sagde Liu. "Denne faseændring forårsager twistocaloric afkøling."

Potentielle applikationer

Stor reversibel afkøling blev også opnået ved at fjerne snoning fra nikkel titantråde og ved at fjerne bundter af disse ledninger. En maksimal overfladeafkøling på 17 grader Celsius blev observeret, da forskerne snoede en enkelt ledning ud. Aflægning af et fire-tråds bundt gav endnu højere afkøling på 20,8 grader Celsius.

Forskerne placerede et tre-lags nikkel titanium wire kabel i en enhed, de byggede, der afkølede en strøm af vand med op til 7,7 grader Celsius, når kablet blev frigjort. "Ved at bruge yderligere cyklusser med drejning og drejningsfrigivelse, meget højere køling kan opnås, " sagde Liu.

I et andet sæt eksperimenter, de har belagt de forskellige typer fibre med termokrom maling, som ændrer farve som svar på temperaturvariationer frembragt ved at sno fibre eller strække oprullede fibre. Sådanne fibre kunne bruges til fjernaflæselige sensorer for belastning og snoning, samt til farveskiftende tekstiler til tøj.

"Der er mange udfordringer og muligheder på vejen fra disse indledende opdagelser til kommercialisering af twist-køleskabe til forskellige store og små applikationer, " sagde Baughman. "Blandt udfordringerne er behovet for at demonstrere raffinerede enheder og materialer, der giver applikationsmålrettede cykluslevetider og effektiviteter ved at genvinde en del af den tilførte mekaniske energi. Mulighederne omfatter brug af præstationsoptimerede twistokaloriske materialer, snarere end de få i øjeblikket studerede kommercielt tilgængelige kandidater."