加州大学洛杉矶分校的材料科学家研发了一种小型冷却装置，该装置利用多层柔性薄膜持续散热。该设计利用电卡效应，即电场的变化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机能够使其周围环境的温度持续降低 16 华氏度，在 30 秒左右后可使热源处的温度降低多达 25 华氏度。

相关方法在《科学》期刊上发表的一篇论文中得到了详细介绍，该方法可被应用于可穿戴冷却技术或便携式冷却设备中。

“我们的长期目标是开发一种可穿戴式制冷配件技术，让制冷配件既舒适、又实惠，既可靠、又节能——特别是要满足那些在极热环境中长时间工作的人们的需求，”加州大学洛杉矶分校塞缪尔工程学院材料科学与工程系教授、首席研究员裴启兵说道。“随着气候变暖，平均气温持续升高，应对高温已成为一个关键的健康问题。我们需要针对该问题提出多种解决方案，而我们这项技术可能成为其中一个解决方案的基础。”

冷却装置的工作原理

实验材料由六层薄聚合物薄膜叠成的圆形材料组成，整个叠层的直径略小于一英寸，厚度约为四分之一英寸。每一层薄膜的两侧都涂有碳纳米管。最终得到的材料是铁电的，这意味着它在电场的作用下会发生形变。

当该设备的电场开启时，堆叠的层会成对地相互压缩。当电源关闭时，这些成对堆叠的层会彼此分开，然后再挤压相邻的其他层。随着这一交替过程的不断重复，这种自我再生的手风琴式级联动作会不断地将热量逐层排出。

“聚合物薄膜利用电路在堆叠层对之间传输电荷，这使得这种柔性冷却装置的效率比空调更高，”该研究的共同第一作者之一、裴启兵实验室的博士后学者吴相向（音译）说道。

传统制冷技术依赖于空调和冷藏手段，这需要蒸汽压缩，不仅消耗大量能源，还使用二氧化碳作为制冷剂。该新装置设计更简单，无需产生温室气体的制冷剂或液体。它仅靠电力运行，而电力可通过太阳能电池板等可再生能源产生，从而实现可持续发展。

“该冷却装置将先进材料与优雅的机械结构相结合，通过将功能直接嵌入结构中以实现节能冷却，从而降低了复杂性、能源消耗和计算需求，”该研究的主要合著者之一、机械工程博士后学者严文中（Wenzhong Yan）说道。

未来应用与专利开发

裴启兵是机械与航空航天工程学院的联合教师，并运营着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制冷技术，该技术旨在降低温度，以满足实际应用的需求。

裴启兵（Pei Qibing，音译）表示：“因为我们可以使用薄而柔软的薄膜，所以电卡制冷对于下一代可穿戴设备而言将是最理想的选择，在艰苦环境下，这种设备可让我们保持凉爽。它还可用于为带有柔性元件的电子设备制冷。”

劳伦斯伯克利国家实验室材料科学家、热能小组负责人苏曼吉特·考尔（Sumanjeet Kaur）是该研究的另一位作者，也是加州大学洛杉矶分校（UCLA）为该发明提交的专利申请的共同发明人。“高效可穿戴降温设备在推动节能和缓解气候变化方面的潜力不容小觑，”考尔说道。

参考文献：《基于双功能弛豫铁电聚合物的自再生热泵》，作者：吴航向、朱远、闫文中、张思雨、威廉·布迪曼、刘克德、吴江汉、孟远、赵勋、安库尔·梅塔、苏曼吉特·考尔和裴启兵，发表于2024年10月31日《科学》杂志。DOI：10.1126/science.adr2268

除吴和颜之外，加州大学洛杉矶分校塞缪利工程学院的研究生、裴启兵研究小组成员袁竹（Yuan Zhu）是另一位联合第一作者。其他作者还包括材料科学专业研究生张思雨、William Budiman、刘克德、吴江汉和前材料科学博士后研究员袁萌，他们均为裴启兵研究小组成员；生物工程研究生荀赵；以及加州大学洛杉矶分校电气与计算机工程系副教授安库尔·梅塔（Ankur Mehta）。

本研究由美国海军研究办公室、劳伦斯伯克利国家实验室的实验室定向研发项目、加州大学洛杉矶分校的加利福尼亚纳米系统研究所 (CNSI) 以及美国国防部高级研究计划局资助。本研究使用了加州大学洛杉矶分校纳米系统研究所无尘室的设备以及纳米机器电子成像中心的设备。