撰文 七君

你知道嗎，橡皮筋可以做冰箱哦。

不信嗎？你可以把女同學頭上的橡皮筋扯下來試一試。

如果你先把它拉長，它就會變熱。再縮回來的話，就會變冷。

紅外成像儀下，拉長的皮筋溫度升高，回縮時溫度降低。

用手指可能感受不出，還是用人體最敏感的部位——嘴唇來感受一下。

果然是這樣對吧。

如果你的嘴唇比較麻痺，你可以聞一下拉伸後的橡皮筋，是不是有那味兒了？那就是變熱的橡皮筋發出的揮發物的味道。

好了，親完橡皮筋，就可以把它還給目瞪口呆的女同學了。

這個原理除了增加和女生的社交距離以外還有什麼實際用途呢？

一個油管上的老哥就開始利用這個原理製造冰箱，原材料只有橡皮筋和木板。

他先設計了能夠拉伸橡皮筋的齒輪，長這樣子——

每根皮筋繞過中間的圓盤形成A形的捆綁，皮筋兩端紮在相鄰的齒輪上。這樣一來，隨著齒輪的旋轉，皮筋一會兒拉緊，一會兒放鬆。圖片來源：Applied Science

為了讓空氣流通，還在軸上裝了2個小風扇——

橡皮筋的一半被拉伸，一半緊縮。拉伸的這一端更熱，所以就被放在冰箱外面，緊縮的放在冰箱裡面。

大叔這樣手搖了幾圈，在紅外熱成像儀下，橡皮筋冰箱內外溫差大概是2攝氏度左右，厲害厲害。

還有一位光頭大漢更猛，直接用橡皮筋把啤酒擼涼。

這位大哥製造的這個拉皮條機拉伸後可以升溫10攝氏度，縮回原狀時可以下降10攝氏度。於是他就用這個機器來冰啤酒了。

這樣擼幾下，啤酒表面就會從14攝氏度下降到12攝氏度。

圖片來源：Joerg Sprave

當然，上述原理也可以逆向操作，不過結果是完全相反的。如果加熱橡皮筋，它就會收縮，冷藏反而變長。

所以有些腦洞大開的人用橡皮筋製作了「自行」車輪。

這個腳踏車上的輻條全用拉伸的橡皮筋替代了。看，它自己滾起來了——

圖片來源：Adam Micolich

其實不是啦，橡皮筋被加熱器加熱後收縮，而沒有被加熱的橡皮筋還保持原樣，這樣一來兩邊一緊一鬆，張力不平衡了，於是輪軸開始轉動。

所以，這到底是什麼原理，為什麼橡皮筋拉伸時會變熱呢？

其實，這個現象是在200年前被一位盲人科學家發現的。

1805年，因為天花而失去視力的英國科學家約翰·高夫（John Gough）很喜歡擼天然橡膠，擼完了還放嘴巴上摩擦，他就是這樣發現了橡膠的這種性質。在大約50年後，焦耳對橡皮筋進行了進一步的研究，所以後來這種現象就被稱為高夫-焦耳效應（Gough-Joule effect）。

熱成像儀下橡膠製作的香腸氣球的高夫-焦耳效應：吹大時變熱，放氣時變冷。圖片來源：Chris Cramer

高夫-焦耳效應的原理直到20世紀30年代才被德國化學家赫爾曼·施陶丁格（Herman Staudinger）等人解開。鬧太套男孩費曼也曾經被橡膠的這種性質迷住。

原來，橡膠好好待著時，裡面的長長的和掛麵一樣的分子互相纏繞在一起，但是它們很安靜都不敢動。此時橡膠分子是無定形的。

自然狀態的橡膠分子（左）和拉伸狀態的橡膠分子（右）

當橡膠被拉伸時，橡膠分子開始變得有序，開始結晶。從無定形到結晶的過程釋放出了能量，這種能量表現為分子的不安躁動。我們在中學就知道，分子越活躍，溫度就越高，所以被拉伸的橡皮筋更熱。

反過來，橡皮筋從拉伸狀態回到自然狀態時，橡膠分子經歷了從晶體到無定形的轉變，這個過程需要從環境吸熱，所以回彈的橡皮筋是涼涼的。

後來在2013年發表在American Journal of Physics上的一項研究發現，橡皮筋的張力和它的升溫相關，扯得越大的皮筋也越熱。

顯然，橡皮筋和我們平時說的熱脹冷縮是矛盾的。從物理上來講，熱脹冷縮叫做有正的熱膨脹係數，而橡皮筋皮筋有個負的熱膨脹係數。

除了橡皮筋，許多物質都具有負的熱膨脹係數，比如水，還有聚乙烯。水在3.984攝氏度以下就會熱縮冷漲，所以水結冰後體積反而增加了。

聚乙烯因為也有負的熱膨脹係數，所以聚乙烯垃圾袋也可以做放在太陽下就會一直轉的光轉輪——

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所以負的熱膨脹係數有什麼用呢？

在製作精密儀器的時候，負的熱膨脹係數和正熱膨脹係數的材料常常被混搭，製造出熱膨脹係數為0的混合物，這樣就可以冷熱不驚了。

你如果填過牙，你的齲齒裡填的就是熱膨脹係數被精心設計的物質。想象一下，如果填牙的材料會熱脹冷縮，或熱縮冷漲，那麼邊喝奶茶邊吃火鍋就和上刑一樣，你估計就只能喝和體溫一樣的東西。所以說，填牙的材料的熱膨脹係數接近牙釉質，而且不隨溫度顯著變化。

現在一些科學家開始嚴肅思考橡皮筋製冷的可行性，因為冰箱製冷液帶來的環境問題真的太嚴重了。這不，最近北極上空也出現了史上最大的由製冷氣體導致的臭氧層空洞，面積已經發展到格陵蘭島的3倍大了。

NASA最近拍攝到的北極上空越來越大的臭氧空洞（藍色），最近發展到格陵蘭島的3倍大。

2019年10月，天津南開大學的工程學家在Science上發表了一項研究，他們發現橡皮筋的製冷效果真的不錯，而且用扭的比用拉的製冷效果還好。

他們拿來了橡皮筋、尼龍、聚乙烯魚線、具有形狀記憶的鎳鈦合金導線這幾種具有彈性的材料，然後把它們不斷纏繞，形成螺旋套螺旋的超螺旋。

這波操作後，幾種不同的纖維中最強的升溫了15攝氏度，解開回歸原位時也下降了15攝氏度。

塗有熱致變色染料的橡皮筋扭轉及放鬆時隨溫度的變色。圖片來源：（DOI）10.1126/science.aax6182

他們還測試了這幾種纖維的製冷效果，結果發現它們的製冷效率和普通冰箱有的一拼。而且把這些纖維扭過以後，製冷效率是不扭只拉的2倍。

紅外熱成像儀下解螺旋的橡皮筋的溫度變化。圖片來源：（DOI）10.1126/science.aax6182

他們還製造了一個和圓珠筆芯那麼大的迷你冰箱，用扭過的鎳鈦合金導線製冷。在幾秒內，小冰箱裡的水就下降了7.7攝氏度。

所以擔心小姐姐冬天只穿彈力長筒襪會不會冷的男孩應該安心了吧，繃緊的長筒襪比你的秋褲還暖和哦，趕快下單試一試吧。

無標註圖片來源網路。

動圖來源和參考資料儲存於石墨：

https://shimo.im/docs/PcJ3x6DpHWtR6XGw/

本文經授權轉載自微信公眾號：把科學帶回家 作者：把科學帶回家