加州大学洛杉矶分校开发的新型冷却装置由六层厚度约为四分之一英寸的纳米管涂层聚合物薄膜制成。图片来源：加州大学洛杉矶分校软材料研究实验室
由聚合物薄膜制成的装置在可穿戴和便携式应用中显示出良好的前景。
加州大学洛杉矶分校的材料科学家发明了一种紧凑型冷却装置，它利用多层柔性薄膜不断散热。这种设计利用了电热效应，即施加电场会暂时改变材料的温度。
在实验室实验中，研究人员发现，该原型可以持续降低周围环境温度 16 华氏度，并在约 30 秒后将热源处的温度降低至 25 华氏度。
《科学》杂志发表的一篇论文详细介绍了该方法可以纳入可穿戴冷却技术或便携式冷却设备。
“我们的长期目标是开发这项技术，用于舒适、实惠、可靠且节能的可穿戴冷却配件——尤其是对于长时间在高温环境中工作的人来说，”首席研究员、加州大学洛杉矶分校萨缪尔利工程学院材料科学与工程教授齐兵裴说：“随着气候变化导致平均气温不断上升，应对高温正成为一个关键的健康问题。我们需要多种解决方案，这可能是其中一种解决方案的基础。”
冷却装置的工作原理实验材料由六层聚合物薄膜堆叠而成，直径不到一英寸，整个堆叠厚度为四分之一英寸。每层薄膜的两面都涂有碳纳米管。所得材料是铁电材料，这意味着当施加电场时，它会改变形状。
当设备的电场打开时，堆叠的层会成对地相互压缩。当电源关闭时，堆叠的层会分开，然后压向其他相邻层。随着这一交替过程的重复，自我再生、手风琴般的级联动作会一层一层地不断将热量抽走。
“聚合物薄膜利用电路在堆叠的层之间传输电荷，这使得柔性冷却装置比空调更高效，”该研究的共同主要作者之一、裴氏实验室的博士后学者吴汉祥说。
该设备的聚合物薄膜像手风琴一样膨胀和收缩，将热量从热源中抽走，使温度降低约 16 华氏度。图片来源：加州大学洛杉矶分校软材料研究实验室
传统冷却技术依赖于空调和制冷，这需要蒸汽压缩，这不仅消耗大量能源，而且还使用二氧化碳作为冷却剂。新设备的设计更简单，不需要产生温室气体的冷却剂或液体。它仅靠电力运行，而通过太阳能电池板等可再生能源发电可以实现可持续发展。
这项研究的共同主要作者、机械工程博士后学者闫文忠说：“这种冷却装置将先进的材料与精巧的机械结构相结合，通过将功能直接嵌入到其结构中来实现节能冷却，从而降低复杂性、能源使用和计算需求。”
未来应用和专利发展裴教授是机械与航空航天工程系的联合教师，并负责加州大学洛杉矶分校的软材料研究实验室。他和他的团队一直在研究电热冷却技术，旨在降低温度，以供实际应用。
“因为我们可以使用薄的柔性薄膜，所以电热冷却对于下一代可穿戴设备来说是最理想的，它可以让我们在恶劣的条件下保持凉爽，”齐兵裴说：“它还可以用于冷却带有柔性元件的电子设备。”
劳伦斯伯克利国家实验室材料研究员兼热能小组负责人苏曼吉特·考尔是这项研究的另一位作者，也是加州大学洛杉矶分校为这项发明提交的专利申请的共同发明人。考尔说：“高效可穿戴冷却技术在推动节能和减缓气候变化方面的潜力不容小觑。”
除了吴和颜，加州大学洛杉矶分校 Samueli 研究生、裴研究小组成员朱远也是本文的另一位共同主要作者。其他作者包括材料科学研究生张思宇、William Budiman、刘可德、吴江汉和前材料科学博士后学者孟远（均为齐兵裴研究小组成员）；生物工程研究生赵迅；以及加州大学洛杉矶分校电气和计算机工程副教授安库尔·梅塔。
这项研究由美国海军研究办公室、劳伦斯伯克利国家实验室实验室指导研究与开发计划、加州大学洛杉矶分校的加州纳米系统研究所 (CNSI) 和国防高级研究计划局资助。这项研究使用了 CNSI 洁净室和加州大学洛杉矶分校纳米机器电子成像中心的仪器。
参考文献：“基于双功能弛豫铁电聚合物的自再生热泵”，作者：Hanxiang Wu、Yuan Zhu、Wenzhong Yan、Siyu Zhu、William Budiman、Kede Liu、Jianghan Wu、Yuan Jia、Xun Zhu、Ankur Mehta， Sumanjeet Kaur 和 Qibing Pei，2024 年 10 月 31 日，《科学》。DOI：10.1126/science.adr2268
来源：加州大学洛杉矶分校
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