Un equipo internacional dirigido por investigadores de la Universidad de Texas en Dallas y la Universidad de Nankai en China ha descubierto una nueva tecnología para la refrigeración que se basa en retorcer y desenroscar fibras.

En una investigación publicada en la edición del 11 de octubre de la revista Ciencias , demostraron refrigeración por torsión utilizando materiales tan diversos como el caucho natural, hilo de pescar ordinario y alambre de níquel titanio.

"Nuestro grupo ha demostrado lo que llamamos 'enfriamiento twistocalórico' al cambiar la torsión en las fibras. Llamamos refrigeradores que usan cambios de torsión para refrigeración 'refrigeradores twist, '", dijo el Dr. Ray Baughman, director del Instituto Alan G. MacDiarmid NanoTech en UT Dallas. Baughman es autor correspondiente del estudio, junto con el Dr. Zunfeng Liu, profesor del State Key Lab de Biología Química Medicinal de la Facultad de Farmacia de la Universidad de Nankai en Tianjin.

La búsqueda de nuevas tecnologías

Según el Instituto Internacional de Refrigeración, la refrigeración y el aire acondicionado consumen aproximadamente el 20% de la energía eléctrica mundial. Los refrigeradores convencionales también liberan gases que contribuyen significativamente al calentamiento global.

A medida que el consumo sigue creciendo, especialmente debido a las crecientes necesidades de las naciones en desarrollo, Los investigadores están investigando tecnologías de refrigeración alternativas para aumentar la eficiencia de la refrigeración. Reducir los costos y reducir el tamaño.

Estirar una banda de goma calienta la goma, y soltar el estiramiento lo enfría:esto se llama enfriamiento elastocalórico. Otras sustancias sólidas para enfriar incluyen materiales electrocalóricos y magnetocalóricos, que se enfrían a través de cambios en los campos eléctricos y magnéticos, respectivamente.

"Este comportamiento elastocalórico del caucho natural se conoce desde principios del siglo XIX. Pero para obtener un alto enfriamiento con una banda de goma, tienes que soltar un tramo muy grande, "Dijo Baughman." Con enfriamiento twistocalórico, descubrimos que todo lo que tienes que hacer es soltar el giro ".

Los experimentos

Los equipos de investigación de Baughman desarrollaron previamente músculos artificiales hechos con fibras retorcidas y enrolladas que van desde hilos de nanotubos de carbono hasta hilos de nailon ordinarios y sedal de polietileno para pescar.

En el trabajo actual, los científicos estiraron fibras de caucho, luego los retorció hasta que no solo se enrollaron, pero también superenrollado. La rápida liberación de la torsión dio como resultado un enfriamiento de la temperatura de la superficie de 15,5 grados Celsius. Liberar tanto la torsión como el estiramiento de la goma produjo un enfriamiento aún mayor de 16,4 grados Celsius.

El enfriamiento twistocalórico también funcionó para la línea de pesca. Los investigadores insertaron una torsión en una línea de pesca de polímero no elástico hasta que se formaron espirales. Estirar la fibra enrollada provocó calentamiento, mientras que la liberación por estiramiento produjo un enfriamiento máximo de la superficie de 5.1 grados Celsius.

"Empleando direcciones opuestas de torsión y enrollamiento, diseñamos fibras que se enfrían cuando se estiran, "dijo Baughman, la Cátedra Distinguida Robert A. Welch de Química en la Facultad de Ciencias Naturales y Matemáticas. "Este es un comportamiento bastante inusual, ya que los materiales ordinarios se calientan cuando se estiran".

Para investigar el origen del efecto de enfriamiento en la línea de pesca, los investigadores recurrieron a la cristalografía de rayos X, lo que les permitió determinar qué estaba sucediendo a nivel molecular cuando se cambiaba la torsión estirando una fibra enrollada.

"Descubrimos que liberar el estiramiento de una fibra enrollada da como resultado la conversión parcial de una fase de baja entropía en una fase de alta entropía, "Dijo Liu." Este cambio de fase causa un enfriamiento de dos calorías ".

Aplicaciones potenciales

También se logró un gran enfriamiento reversible eliminando la torsión de los alambres de níquel y titanio y soltando los haces de estos alambres. Se observó un enfriamiento máximo de la superficie de 17 grados Celsius cuando los investigadores desenroscaron un solo cable. Unir un haz de cuatro cables produjo un enfriamiento aún mayor de 20,8 grados Celsius.

Los investigadores colocaron un cable de alambre de níquel-titanio de tres capas en un dispositivo que construyeron que enfriaba un chorro de agua hasta 7,7 grados Celsius cuando el cable estaba desconectado. "Mediante el uso de ciclos adicionales de liberación de torsión y torsión, se puede lograr un enfriamiento mucho mayor, "Dijo Liu.

En otro conjunto de experimentos, recubrieron los diferentes tipos de fibras con pintura termocrómica, que cambia de color en respuesta a las variaciones de temperatura producidas al retorcer las fibras o estirar las fibras enrolladas. Tales fibras podrían usarse para sensores de tensión y torsión legibles a distancia, así como para tejidos que cambian de color para la confección.

"Existen muchos desafíos y oportunidades en el camino desde estos descubrimientos iniciales hasta la comercialización de frigoríficos retorcidos para diversas aplicaciones de gran y pequeña escala, ", Dijo Baughman." Entre los desafíos está la necesidad de demostrar dispositivos y materiales refinados que proporcionen ciclos de vida y eficiencias orientadas a la aplicación mediante la recuperación de parte de la energía mecánica introducida. Las oportunidades incluyen el uso de materiales twistocalóricos optimizados para el rendimiento, en lugar de los pocos candidatos disponibles comercialmente actualmente estudiados ".