Science：拿去，拯救你過熱的手機

科技 10-09

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炎炎夏日每到酷暑難耐時，朋友圈裡就會看到各路豪傑的暑熱段子和花樣哀嚎，空調和冰箱迅速成為生存的充分必要條件。分享一個小夥伴的「空調續命圖」……

圖盜自小希的朋友的朋友圈

學術帝也會及時跳出來給大家普及製冷知識，從冰箱壓縮機的製冷原理，到熱聲技術和斯特林發動機、激光製冷、磁製冷等等。不過，小希只能聽懂壓縮機的工作原理，通過蒸發和膨脹吸熱實現製冷。

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圖片來自網路

壓縮機是空調和冰箱的靈魂，而空調和冰箱則是大夥的命。夏天裡被迫離開空調屋是很殘忍的，比這個更殘忍的，是被迫離開空調屋而且還得用手機打十分鐘電話。

台灣一女子夏天用手機打電話太久被燙傷。圖片來源：新浪新聞

就算不在夏天，手機打電話或玩遊戲久了，都會燙的厲害，如何降溫是個麻煩事。依靠壓縮機的製冷技術已經是一個多世紀前發展起來的「老炮」了，儘管仍在廣泛使用，但噪音大、體積大、結構複雜、製冷劑有泄漏隱患且有環境危害等缺點無法避免，而且難以用在移動設備、可穿戴式電子設備之上。有沒有更好的選擇呢？答案是「有」！

固態製冷具有比傳統冷卻系統更大的發展潛力，不過發展受限於設備很難同時具有高製冷係數（COP）和高比冷卻功率。近日，美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）裴啟兵（Qibing Pei）教授課題組在Science雜誌上發表文章，利用電熱效應（electrocaloric，EC）聚合物薄膜和靜電致動機制，開發了一種具有高熱力學效率的冷卻裝置。該器件COP可以達到13，比冷卻功率為2.8 W/g，而且柔性好，適合多種形狀的表面。

裴啟兵教授（右）和本文兩位共同一作Rujun Ma博士（左）、Ziyang Zhang（中）。圖片來源：UCLA

目前，EC材料主要有弛豫鐵電陶瓷和聚合物兩種，而設計基於EC效應的固態冷卻裝置仍然是一個重大挑戰。此前報道的EC冷卻裝置沒有COP數據，最高的冷卻功率為0.018 W/g，比理論計算值要低得多。另外，基於EC效應的固態冷卻裝置還面臨一個關鍵挑戰——EC材料必須周期性地在熱源和散熱器之間接觸。

為了解決這些問題，研究者設計了一種新穎的EC冷卻裝置（下圖），依靠靜電力驅動，柔性EC聚合物——P(VDF-TrFE-CFE)薄膜可以快速地在熱源和散熱器之間周期性切換。整個周期分成六個步驟，通過電場的周期性改變，可以實現EC聚合物薄膜將熱源處的熱量轉移到散熱器。不但可以降低功率消耗，還可以保證聚合物薄膜與熱源或散熱器的良好接觸和熱傳遞過程。

基於EC效應的固態冷卻裝置示意圖。圖片來源：Science

EC固態冷卻裝置的工作機理示意圖。圖片來源：Science

此外，這種EC固態冷卻裝置可製成柔性器件，用於電子設備的迅速降溫。研究者測試了工作的智能手機電池，溫度達到52.5 ℃後開始降溫。普通情況下散熱，50 s時間只下降三度；而使用EC固態冷卻裝置後，5 s就可以下降8 ℃，可有效防止智能手機電池過熱引起火災的隱患，還能降低電池長期過熱使用導致的壽命縮短，具有很高的實用價值。