Холодильники будущего смогут использовать странную физическую особенность резины

Новая технология охлаждения использует способность резины и других материалов охлаждаться при высвобождении от сильного закручивания.

На рубеже 19-го века английский философ Джон Гоф наткнулся на странную особенность резины. При растяжении эластичный материал ощущался горячим, а затем при высвобождении терял температуру ниже базового уровня - наблюдения, которые Гоф, потерявший зрение в детстве, сделал своими губами.

Разница температур не была огромной (хотя Гоф опубликовал свои результаты в 1805 году). И, несмотря на то, что в последние годы появились прототипы холодильников с эластичным приводом, они менее энергетически эффективны, чем те, которые работают на сжатии пара - метод сжигания ископаемого топлива, встречающийся на кухнях и кондиционерах по всему миру.

Казалось бы, такие материалы, как резина, не предназначены для охлаждения продуктов и офисных помещений будущего. Цуньфэн Лю, материаловед из Нанкайского университета в Китае, думает иначе. В статье, опубликованной в журнале Science он и его коллеги утверждают, что природные свойства каучука все еще могут быть использованы для охлаждения - просто не так, как исследователи рассматривали ранее. Лю говорит, что натяжение отлично подходит для охлаждения. Но еще лучше скручивание: движение, которое деформирует материал, не занимая дополнительное пространство как растянутые волокна. Лю и его команда, возглавляемая Рэем Боугманом из Техасского университета в Далласе, обнаружили, что скручивание и раскручивание нитей резины, а также других предметов повседневного обихода, таких как леска и швейная нить, также могут привести к падению температуры. с двойной эффективностью охлаждения по сравнению с  простым растяжением и высвобождением. «Это прекрасная экспериментальная работа», - говорит Шарон Гербоде, физик по мягким материалам в колледже Harvey Mudd College.

Команда уже создала простой «поворотный холодильник», который может понизить температуру чайной ложки воды примерно на 12 градусов за один 30-секундный цикл. Это не так много воды, и технология все еще находится в зачаточном состоянии. Но, по словам Боугмана, открытие группы может когда-нибудь стать альтернативой традиционным системам охлаждения, которые помимо потребления ископаемого топлива производят парниковые газов и обеспечивают около 20 процентов мирового потребления электроэнергии.
 

Когда такие материалы, как резина, скручиваются и высвобождаются, их температура падает. Научный интерес к прорыву сводится к паре концепций в термодинамике. Поскольку резина является полимером, она состоит из субъединиц, которые проявляются в виде длинных цепей, которые, если их оставить ненатянутыми, спутываются так же беспорядочно, как провода наушников. Однако растяжение или скручивание делают их более упорядоченными. Начальное состояние каучука изобилует энергией, которая должна высвобождаться, когда его молекулы организуются. Эта энергия выделяется в виде тепла, временно согревая эластик и его окружение. Когда он освобождается от искривления, резина возвращается в более энергичное состояние. На этот раз молекулы поглощают тепло из окружающей среды и направляют эту энергию в возвращение в состояние хаоса, позволяя резине и всему, что находится поблизости, остывать.

Охлаждающие свойства резины известны на протяжении веков. «Мы просто задавались вопросом, будет ли дополнительная выгода, если мы применим скручивание» - говорит Лю. Итак, используя волокна, подвешенные между моторизованными точками крепления, Лю, Боугман и их коллеги скручивали резину до тех пор, пока она не скручивалась в кольца. После того, как нагретый материал вернулся к комнатной температуре, исследователи высвободили его и обнаружили, что температура упала на 14 градусов, превзойдя еще один эластик, который был растянут в шесть раз больше его длины. Две стратегии также могут быть объединены: резиновые волокна, которые были растянуты и скручены, охлаждены на 15 градусов.

Хотя на молекулярном уровне существуют некоторые вариации, те же самые широкие принципы «энергии, энергии» применяются к другим веществам, включая леску и швейную нить, говорит Лю, хотя ни один из материалов не может превзойти охлаждающую способность резины. Эти тесты были главным образом доказательством принципа, объясняет Боугман.

«Даже с относительно распространенными и дешевыми материалами ... они могут вызывать этот эффект таким простым движением», - говорит Светлана Борискина, инженер-механик из Массачусетского технологического института, которая не принимала участия в исследовании.

По словам Лю, самым эффективным материалом, который тестировала команда, была никель-титановая (также известная как нитинол) проволока, эластичный сплав, который используется в медицинских устройствах и имплантах. Скрученная нитиноловая проволока может дать охлаждающий эффект в 15 градусов; добавление еще трех нитей дало дополнительно 7 градусов.

В последнем эксперименте команда собрала три из этих проводов в небольшую камеру и полила их водой. Когда провода раскручивались внутри небольшого холодильника, они охлаждались, что также снижало температуру окружающей жидкости. Лю говорит, что нитинол не так дешев, как резина, но он более прочный: несмотря на то, что эластики довольно быстро теряют свою упругость, металлический сплав сохраняет свои охлаждающие свойства в течение 1000 циклов скручивания и раскручивания. Тем не менее, чтобы обеспечить длительный срок эксплуатации реального холодильника или кондиционера, материал, вероятно, должен выдерживать несколько миллионов циклов скручивания, говорит Ичиро Такеучи, ученый из Университета Мэриленда, который не участвовал в исследовании. Также неясно, как будут развиваться другие прототипы при увеличении их размера. Тем не менее, Борискина и Такеучи хвалят исследование за его элегантный и творческий подход. Они отмечают, что в своем первом опубликованном опыте исследователи достигли большей эффективности охлаждения, чем это характерно для систем сжатия пара. «Это очень впечатляет», - говорят исследователи.