Un team internazionale guidato da ricercatori dell'Università del Texas a Dallas e della Nankai University in Cina ha scoperto una nuova tecnologia per la refrigerazione basata su fibre attorcigliate e districate.

In una ricerca pubblicata nel numero dell'11 ottobre della rivista Scienza , hanno dimostrato la refrigerazione a torsione utilizzando materiali diversi come la gomma naturale, lenza ordinaria e filo di nichel titanio.

"Il nostro gruppo ha dimostrato quello che chiamiamo 'raffreddamento twistocalorico' modificando la torsione nelle fibre. Chiamiamo i refrigeratori che utilizzano i cambi di torsione per la refrigerazione 'frigoriferi a torsione, '" ha detto il dottor Ray Baughman, direttore dell'Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute a UT Dallas. Baughman è un corrispondente autore dello studio, insieme al dottor Zunfeng Liu, un professore nel Key Lab statale di biologia chimica farmaceutica presso il College of Pharmacy dell'Università di Nankai a Tianjin.

La ricerca di nuove tecnologie

Secondo l'Istituto Internazionale di Refrigerazione, la refrigerazione e il condizionamento dell'aria consumano circa il 20% dell'energia elettrica mondiale. I frigoriferi convenzionali rilasciano anche gas che contribuiscono in modo significativo al riscaldamento globale.

Poiché il consumo continua a crescere, soprattutto a causa delle crescenti esigenze dei paesi in via di sviluppo, i ricercatori stanno studiando tecnologie di raffreddamento alternative per aumentare l'efficienza della refrigerazione, abbassare i costi e ridurre le dimensioni.

L'allungamento di un elastico riscalda la gomma, e rilasciando il tratto lo si raffredda:questo è chiamato raffreddamento elastocalorico. Altre sostanze solide per il raffreddamento includono materiali elettrocalorici e magnetocalorici, che si raffreddano tramite variazioni dei campi elettrici e magnetici, rispettivamente.

"Questo comportamento elastocalorico della gomma naturale è noto fin dai primi anni del 1800. Ma per ottenere un elevato raffreddamento da un elastico, devi rilasciare un tratto molto ampio, " Baughman ha detto. "Con il raffreddamento twistocalorico, abbiamo scoperto che tutto ciò che devi fare è rilasciare twist."

gli esperimenti

I team di ricerca di Baughman hanno precedentemente sviluppato muscoli artificiali realizzati con fibre strettamente attorcigliate e arrotolate che vanno dai filati di nanotubi di carbonio ai normali fili di nylon e alle lenze da pesca in polietilene.

Nel lavoro attuale, gli scienziati hanno allungato le fibre di gomma, poi le attorcigliate finché non solo si arrotolano, ma anche superavvolto. Il rilascio rapido della torsione ha portato a un raffreddamento della temperatura superficiale di 15,5 gradi Celsius. Rilasciare sia la torsione che l'allungamento dalla gomma ha prodotto un raffreddamento ancora più elevato di 16,4 gradi Celsius.

Il raffreddamento twistocalorico ha funzionato anche per la lenza. I ricercatori hanno inserito la torsione nella lenza polimerica non elastica fino a formare le bobine. L'allungamento della fibra arrotolata ha causato il riscaldamento, mentre il rilascio per stiramento ha prodotto un raffreddamento superficiale massimo di 5,1 gradi Celsius.

"Utilizzando direzioni opposte di torsione e avvolgimento, abbiamo progettato fibre che si raffreddano quando vengono allungate, " disse Baughman, la Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry presso la School of Natural Sciences and Mathematics. "Questo è un comportamento piuttosto insolito poiché i materiali ordinari si surriscaldano quando vengono allungati".

Per indagare l'origine dell'effetto di raffreddamento nella lenza, i ricercatori si sono rivolti alla cristallografia a raggi X, che ha permesso loro di determinare cosa stava accadendo a livello molecolare quando la torsione veniva cambiata allungando una fibra arrotolata.

"Abbiamo scoperto che il rilascio dell'allungamento da una fibra arrotolata porta alla conversione parziale di una fase a bassa entropia in una fase ad alta entropia, " Liu ha detto. "Questo cambiamento di fase provoca un raffreddamento twistocalorico".

Potenziali applicazioni

È stato inoltre ottenuto un ampio raffreddamento reversibile rimuovendo la torsione dai fili di nichel titanio e svolgendo i fasci di questi fili. È stato osservato un raffreddamento superficiale massimo di 17 gradi Celsius quando i ricercatori hanno srotolato un singolo filo. Lo svolgimento di un fascio di quattro fili ha prodotto un raffreddamento ancora più elevato di 20,8 gradi Celsius.

I ricercatori hanno posizionato un cavo in filo di nichel-titanio a tre capi in un dispositivo che hanno costruito che ha raffreddato un flusso d'acqua fino a 7,7 gradi Celsius quando il cavo è stato srotolato. "Utilizzando ulteriori cicli di torsione e rilascio di torsione, si può ottenere un raffreddamento molto più elevato, " ha detto Liù.

In un'altra serie di esperimenti, hanno rivestito i diversi tipi di fibre con vernice termocromica, che cambia colore in risposta alle variazioni di temperatura prodotte dalla torsione delle fibre o dall'allungamento delle fibre arrotolate. Tali fibre potrebbero essere utilizzate per sensori leggibili a distanza di deformazione e torsione, così come per i tessuti cangianti per l'abbigliamento.

"Esistono molte sfide e opportunità nel percorso da queste scoperte iniziali alla commercializzazione di frigoriferi twist per diverse applicazioni su larga e piccola scala, " Baughman ha detto. "Tra le sfide vi è la necessità di dimostrare dispositivi e materiali raffinati che forniscano cicli di vita ed efficienze mirati all'applicazione recuperando parte dell'energia meccanica immessa. Le opportunità includono l'utilizzo di materiali twistocalorici ottimizzati per le prestazioni, piuttosto che i pochi candidati attualmente studiati disponibili in commercio."