Science：拿去，拯救你过热的手机

炎炎夏日每到酷暑难耐时，朋友圈里就会看到各路豪杰的暑热段子和花样哀嚎，空调和冰箱迅速成为生存的充分必要条件。分享一个小伙伴的“空调续命图”……

图盗自小希的朋友的朋友圈

学术帝也会及时跳出来给大家普及制冷知识，从冰箱压缩机的制冷原理，到热声技术和斯特林发动机、激光制冷、磁制冷等等。不过，小希只能听懂压缩机的工作原理，通过蒸发和膨胀吸热实现制冷。

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压缩机是空调和冰箱的灵魂，而空调和冰箱则是大伙的命。夏天里被迫离开空调屋是很残忍的，比这个更残忍的，是被迫离开空调屋而且还得用手机打十分钟电话。

台湾一女子夏天用手机打电话太久被烫伤。图片来源：新浪新闻

就算不在夏天，手机打电话或玩游戏久了，都会烫的厉害，如何降温是个麻烦事。依靠压缩机的制冷技术已经是一个多世纪前发展起来的“老炮”了，尽管仍在广泛使用，但噪音大、体积大、结构复杂、制冷剂有泄漏隐患且有环境危害等缺点无法避免，而且难以用在移动设备、可穿戴式电子设备之上。有没有更好的选择呢？答案是“有”！

固态制冷具有比传统冷却系统更大的发展潜力，不过发展受限于设备很难同时具有高制冷系数（COP）和高比冷却功率。近日，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）裴启兵（Qibing Pei）教授（点击查看介绍）课题组在Science 杂志上发表文章，利用电热效应（electrocaloric，EC）聚合物薄膜和静电致动机制，开发了一种具有高热力学效率的冷却装置。该器件COP可以达到13，比冷却功率为2.8 W/g，而且柔性好，适合多种形状的表面。

裴启兵教授（右）和本文两位共同一作Rujun Ma博士（左）、Ziyang Zhang（中）。图片来源：UCLA

目前，EC材料主要有弛豫铁电陶瓷和聚合物两种，而设计基于EC效应的固态冷却装置仍然是一个重大挑战。此前报道的EC冷却装置没有COP数据，最高的冷却功率为0.018 W/g，比理论计算值要低得多。另外，基于EC效应的固态冷却装置还面临一个关键挑战——EC材料必须周期性地在热源和散热器之间接触。

为了解决这些问题，研究者设计了一种新颖的EC冷却装置（下图），依靠静电力驱动，柔性EC聚合物——P(VDF-TrFE-CFE)薄膜可以快速地在热源和散热器之间周期性切换。整个周期分成六个步骤，通过电场的周期性改变，可以实现EC聚合物薄膜将热源处的热量转移到散热器。不但可以降低功率消耗，还可以保证聚合物薄膜与热源或散热器的良好接触和热传递过程。

基于EC效应的固态冷却装置示意图。图片来源：Science

EC固态冷却装置的工作机理示意图。图片来源：Science

此外，这种EC固态冷却装置可制成柔性器件，用于电子设备的迅速降温。研究者测试了工作的智能手机电池，温度达到52.5 ℃后开始降温。普通情况下散热，50 s时间只下降三度；而使用EC固态冷却装置后，5 s就可以下降8 ℃，可有效防止智能手机电池过热引起火灾的隐患，还能降低电池长期过热使用导致的寿命缩短，具有很高的实用价值。

柔性EC冷却装置。图片来源：Science

同期Science 上，宾夕法尼亚州立大学章启明教授等发表了题为“The refrigerant is also the pump”的评论，^[1] 简要讲述了固态制冷的发展以及其工作原理，并评价该工作“巧妙地将静电驱动和EC冷却装置结合起来”。

这种EC冷却装置除了能给手机、平板电脑和可穿戴电子产品等有效降温，延长它们的使用寿命，实际上还有更多的用途。裴教授在接受采访时说，它其实就是便携式个人空调，可以放在口袋随身携带，贴在衣服上，塞在鞋子里或者帽子里，也可以当成坐垫，根据个人需要调节身体不同部位的温度。^[2]

或许，未来这种EC冷却装置也会成为高温下生存的另一必备神器。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Highly efficient electrocaloric cooling with electrostatic actuation

Science, 2017, 357, 1130-1134, DOI: 10.1126/science.aan5980

导师介绍

裴启兵

http://www.x-mol.com/university/faculty/45890

课题组主页

https://www.peigroup.seas.ucla.edu/

参考资料：

1. http://science.sciencemag.org/content/357/6356/1094

2. http://newsroom.ucla.edu/releases/thin-flexible-device-could-provide-efficient-cooling-for-mobile-electronics-or-people

（本文由小希供稿）