Một phương pháp làm mát di động, tiết kiệm năng lượng, xanh và hiệu quả hơn là hướng khám phá không ngừng nghỉ của con người.Gần đây, một bài báo trực tuyến trên tạp chí Science đã đưa tin về một chiến lược làm lạnh linh hoạt mới được phát hiện bởi một nhóm nghiên cứu chung gồm các nhà khoa học Trung Quốc và Mỹ – “làm lạnh bằng nhiệt xoắn”.Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng việc thay đổi độ xoắn bên trong sợi có thể làm mát.Do hiệu suất làm lạnh cao hơn, kích thước nhỏ hơn và khả năng ứng dụng với nhiều loại vật liệu thông thường khác nhau, “tủ lạnh nhiệt xoắn” được chế tạo dựa trên công nghệ này cũng trở nên đầy hứa hẹn.
Thành tựu này đến từ sự hợp tác nghiên cứu của nhóm Giáo sư Liu Zunfeng từ Phòng thí nghiệm trọng điểm Nhà nước về Sinh học Hóa dược, Trường Dược và Phòng thí nghiệm trọng điểm về Polymer chức năng của Bộ Giáo dục Đại học Nankai và nhóm của Ray H. Baugman. , giáo sư của Đại học bang Texas, Chi nhánh Dallas, và Yang Shixian, Docent của Đại học Nankai.
Chỉ cần giảm nhiệt độ và vặn nó
Theo số liệu của Viện Nghiên cứu Điện lạnh Quốc tế, lượng điện tiêu thụ của máy điều hòa, tủ lạnh trên thế giới hiện chiếm khoảng 20% lượng điện tiêu thụ toàn cầu.Nguyên lý làm lạnh bằng nén khí được sử dụng rộng rãi hiện nay thường có hiệu suất Carnot dưới 60% và khí thải ra từ các quy trình làm lạnh truyền thống đang làm trầm trọng thêm sự nóng lên toàn cầu.Với nhu cầu làm lạnh ngày càng tăng của con người, việc khám phá các lý thuyết và giải pháp làm lạnh mới để nâng cao hơn nữa hiệu quả làm lạnh, giảm chi phí và giảm kích thước của thiết bị làm lạnh đã trở thành một nhiệm vụ cấp bách.
Cao su tự nhiên sẽ sinh nhiệt khi bị kéo giãn nhưng nhiệt độ sẽ giảm sau khi rút lại.Hiện tượng này được gọi là “làm lạnh nhiệt đàn hồi”, được phát hiện sớm nhất vào đầu thế kỷ 19.Tuy nhiên, để đạt được hiệu quả làm mát tốt, cao su cần được kéo căng trước gấp 6-7 lần chiều dài của nó rồi rút lại.Điều này có nghĩa là việc làm lạnh cần một thể tích lớn.Hơn nữa, hiệu suất “làm lạnh nhiệt” hiện tại của Carnot tương đối thấp, thường chỉ khoảng 32%.
Thông qua công nghệ “làm mát xoắn”, các nhà nghiên cứu đã kéo căng chất đàn hồi cao su dạng sợi hai lần (độ căng 100%), sau đó cố định cả hai đầu và xoắn từ một đầu để tạo thành cấu trúc Superhelix.Sau đó, quá trình xoắn nhanh xảy ra và nhiệt độ của sợi cao su giảm 15,5 độ C.
Kết quả này cao hơn hiệu quả làm mát khi sử dụng công nghệ “làm lạnh nhiệt đàn hồi”: cao su được kéo dãn gấp 7 lần sẽ co lại lâu hơn và nguội đi ở nhiệt độ 12,2 độ C.Tuy nhiên, nếu cao su bị xoắn và giãn ra, sau đó thả ra đồng thời, “làm lạnh nhiệt xoắn” có thể hạ nhiệt xuống 16,4 độ C.Liu Zunfeng cho biết, dưới cùng một hiệu ứng làm mát, khối lượng cao su 'làm lạnh nhiệt xoắn' chỉ bằng 2/3 so với cao su 'làm lạnh nhiệt đàn hồi' và hiệu suất Carnot của nó có thể đạt tới 67%, vượt trội hơn nhiều so với nguyên lý không khí làm lạnh nén.
Dây câu và dây dệt cũng có thể được làm mát
Các nhà nghiên cứu đã thông báo rằng vẫn còn nhiều cơ hội để cải tiến cao su như một vật liệu “làm lạnh bằng nhiệt xoắn”.Ví dụ, cao su có kết cấu mềm và cần xoắn nhiều để đạt được hiệu quả làm mát đáng kể.Tốc độ truyền nhiệt của nó chậm và các vấn đề như sử dụng nhiều lần và độ bền của vật liệu cần được xem xét.Vì vậy, việc khám phá các vật liệu “làm lạnh xoắn” khác đã trở thành một hướng đột phá quan trọng của nhóm nghiên cứu.
Thật thú vị, chúng tôi phát hiện ra rằng sơ đồ 'làm mát bằng nhiệt xoắn' cũng có thể áp dụng cho dây chuyền đánh cá và dệt may.Trước đây, mọi người không nhận ra rằng những vật liệu thông thường này có thể được sử dụng để làm mát”, Liu Zunfeng nói.
Đầu tiên, các nhà nghiên cứu xoắn những sợi polymer cứng này và tạo thành cấu trúc xoắn ốc.Kéo dãn chuỗi xoắn có thể làm tăng nhiệt độ, nhưng sau khi rút chuỗi xoắn lại, nhiệt độ sẽ giảm xuống.
Thí nghiệm cho thấy rằng bằng cách sử dụng công nghệ “làm mát bằng nhiệt xoắn”, dây bện polyetylen có thể tạo ra mức giảm nhiệt độ 5,1 độ C, trong khi vật liệu được kéo căng và giải phóng trực tiếp mà hầu như không quan sát thấy sự thay đổi nhiệt độ.Nguyên lý “làm mát bằng nhiệt xoắn” của loại sợi polyethylene này là trong quá trình co giãn kéo dài, độ xoắn bên trong của chuỗi xoắn giảm đi dẫn đến thay đổi năng lượng.Liu Zunfeng cho biết những vật liệu tương đối cứng này bền hơn sợi cao su và tốc độ làm mát vượt xa cao su ngay cả khi bị kéo giãn rất ngắn.
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng việc áp dụng công nghệ “làm mát bằng nhiệt xoắn” cho hợp kim nhớ hình niken titan có độ bền cao hơn và truyền nhiệt nhanh hơn sẽ mang lại hiệu suất làm mát tốt hơn và chỉ cần độ xoắn thấp hơn để đạt được hiệu quả làm mát lớn hơn.
Ví dụ, bằng cách xoắn bốn dây hợp kim titan niken lại với nhau, nhiệt độ giảm tối đa sau khi tháo xoắn có thể đạt tới 20,8 độ C và mức giảm nhiệt độ trung bình tổng thể cũng có thể đạt tới 18,2 độ C.Con số này cao hơn một chút so với mức làm mát 17,0 độ C đạt được bằng công nghệ 'làm lạnh nhiệt'.Một chu trình làm lạnh chỉ mất khoảng 30 giây”, Liu Zunfeng cho biết.
Công nghệ mới có thể được sử dụng trong tủ lạnh trong tương lai
Dựa trên công nghệ “làm lạnh nhiệt xoắn”, các nhà nghiên cứu đã tạo ra mẫu tủ lạnh có thể làm mát dòng nước chảy.Họ đã sử dụng ba dây hợp kim titan niken làm vật liệu làm mát, quay 0,87 vòng/cm để đạt được mức làm mát 7,7 độ C.
Phát hiện này vẫn còn một chặng đường dài trước khi thương mại hóa 'tủ lạnh nhiệt xoắn', với cả cơ hội và thách thức”, Ray Bowman nói.Liu Zunfeng tin rằng công nghệ làm lạnh mới được phát hiện trong nghiên cứu này đã mở rộng một lĩnh vực mới trong lĩnh vực làm lạnh.Nó sẽ cung cấp một phương pháp mới để giảm mức tiêu thụ năng lượng trong lĩnh vực điện lạnh.
Một hiện tượng đặc biệt khác trong “làm lạnh bằng nhiệt xoắn” là các phần khác nhau của sợi có nhiệt độ khác nhau, nguyên nhân là do sự phân bố định kỳ của chuỗi xoắn được tạo ra bằng cách xoắn sợi dọc theo hướng chiều dài sợi.Các nhà nghiên cứu đã phủ lên bề mặt dây hợp kim titan niken một lớp phủ Thermochromism để tạo ra sợi đổi màu “làm nguội xoắn”.Trong quá trình xoắn và tháo xoắn, sợi trải qua những thay đổi màu sắc thuận nghịch.Nó có thể được sử dụng như một loại phần tử cảm biến mới để đo độ xoắn sợi quang từ xa.Ví dụ, bằng cách quan sát sự thay đổi màu sắc bằng mắt thường, người ta có thể biết vật liệu đã thực hiện bao nhiêu vòng quay ở khoảng cách xa, đó là một cảm biến rất đơn giản.“Liu Zunfeng cho biết dựa trên nguyên tắc” làm mát bằng nhiệt xoắn “, một số loại sợi cũng có thể được sử dụng làm vải đổi màu thông minh.
Thời gian đăng: 13-07-2023