CN105135745B - 旋转超冷电极及其制造方法、过冷溶液制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转超冷电极及其制造方法、过冷溶液制备方法。所述旋转超冷电极，包括一导电电极及一电机，所述导电电极通过电机连接轴与电机连接，以使得电机能够带动导电电极旋转保证导电电极能够在表面温度低于零度时不结冰，形成旋转超冷电极；所述导电电极包括导热导电棒及至少一个半导体元件，所述半导体元件被夹持于所述电机连接轴上，所述导热导电棒被夹持于所述半导体元件中间，且所述导热导电棒长于所述半导体元件，以使得导热导电棒的下端伸出半导体元件。本发明通过制冷片的制冷以及导热导电棒的旋转可易于获得过冷溶液；为研究过冷溶液的物理化学性质，以及研究生物分子和生物体在过冷极端条件下的行为提供了可能。

Description

旋转超冷电极及其制造方法、过冷溶液制备方法

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种旋转超冷电极及其制造方法、过冷溶液制备方法。

背景技术

水是构建地球生命的载体。当温度低到冰点0℃之下，仍然不会结冰的水叫过冷水。一般情况下，生物体的温度下降到低于0℃，细胞外的冰晶生成并结冰，导致细胞外的高浓度的电解质生成，使得细胞脱水死亡。但奇怪的是，某些动物在极端过冷的条件下依然能够存活。例如，多种极地鱼生活在-1.9 ℃的冬眠的环境中存活,北极地松鼠的体内温度在-2.9℃时也不会被冻僵,一些哺乳动物剥离的外神经在冷至-6℃的温度下依然能够恢复活性。

制造过冷水的方法主要有直接制冷大体积的水和制冷小体积水的方法。因为很难除去大体积的水中微小的杂质，导致过冷水很快结冰，所以这种方法并不可行。制冷小体积的水主要有薄膜取样方法，毛细管取样方法和液滴取样方法。小体积取样的方法对试验人员的耐心和经验要求很高。

人类对超冷水的认识可以追溯到 18 世纪。出生于荷兰的德国科学家D. G.Fahrenheit (1686–1736，华氏温度的创立者)最早发现了超冷水的存在。最近的理论研究表明，在常压下超冷水的最低温度可达-48℃。自然界中的超冷水主要存在于冻雨和云层中。在对流云层的深处中所能检测到超冷水的最低温度为-37.5℃。由于超冷水具有非稳态特性，在实验室中获得大体积稳定存在的超冷水就比较困难。毫升级别以上体积的超冷水的温度一般在零下几度到-10℃左右。大体积超冷水常常会因为某种原因突然结冰而使实验无法进行。所以，阻碍过冷水研究的主要问题是其不稳定性，也就是非常容易结冰。因此，获得稳定的过冷水对于研究生命体在极端环境下的生命现象是非常有意义的。

利用导电电极的传热形成过冷溶液（孙建军, 黄宗雄, 杨森, 郭俊玮.一种获得过冷溶液的装置及其制造方法 [P].中国专利：CN103776198,2014-05-07），利用微电极附近溶液热扩散作用，使得电极附近溶液难易结冰，我们采用旋转电极的形式，同样可以形成热扩散，从而形成过冷溶液。

发明内容

本发明的目的在于提供一种旋转超冷电极及其制造方法、过冷溶液制备方法，通过制冷片的制冷以及导热导电棒的旋转可易于获得过冷溶液；为研究过冷溶液的物理化学性质，以及研究生物分子和生物体在过冷极端条件下的行为提供了可能。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种旋转超冷电极，包括一导电电极及一电机，所述导电电极通过电机连接轴与电机连接，以使得电机能够带动导电电极旋转保证导电电极能够在表面温度低于零度时不结冰，形成旋转超冷电极。

在本发明一实施例中，所述导电电极包括导热导电棒及至少一个半导体元件，所述半导体元件被夹持于所述电机连接轴上，所述导热导电棒被夹持于所述半导体元件中间，且所述导热导电棒长于所述半导体元件，以使得导热导电棒的下端伸出半导体元件。

在本发明一实施例中，所述导热导电棒与半导体元件的上端通过过孔导电滑环与电化学工作站连接，所述导热导电棒的下端置于待测溶液中。

在本发明一实施例中，所述半导体元件由对称的两片或多片半导体制冷片组成。

在本发明一实施例中，所述导热导电棒的直径为1毫米至10毫米范围之间。

在本发明一实施例中，所述导热导电棒的材料为碳质材料、包括金、铂、银、铜的金属或合金。

在本发明一实施例中，所述导电电极通过半导体元件的制冷片制冷或通过制冷剂制冷；所述电机转速为100转每分钟至3000转每分钟。

本发明还提供了一种旋转超冷电极的制造方法，包括如下步骤，

S1：将至少两个半导体制冷片对称放置，构成半导体元件，还提供一长于半导体制冷片的导热导电棒，所述导热导电棒的上部被压成薄片状并夹持于至少两个对称放置的半导体制冷片之间，所述导热导电棒的下端伸出半导体制冷片；

S2：提供一连接轴，所述连接轴上端与电机轴连接，所述连接轴下端挖成空腔，以夹持半导体制冷片及其夹持的导热导电棒；

S3：将过孔导电滑环套于连接轴上，且所述过孔导电滑环的下端转子导线连接半导体制冷片及导热导电棒，过孔导电滑环的上端定子导线连接电化学工作站及直流电源；

S4：将导热导电棒的下端伸入待测溶液中，通过电机带动半导体制冷片及导热导电棒旋转，形成旋转电极，并通过对半导体制冷片施加电流，使得温度降低至低于溶液冰点并稳定一段时间。

在本发明一实施例中，所述半导体制冷片与导热导电棒通过环氧树脂胶固定。

本发明还提供了一种基于上述所述旋转超冷电极的过冷溶液制备方法，包括如下步骤，

（1）将导热导电棒的下端伸入待测溶液中，通过电机带动半导体元件及导热导电棒旋转；

（2）由于导热导电棒与半导体制冷片之间进行热交换，通过对半导体元件施加不同方向的电流及改变电流的大小来调节电极表面温度，使其低于溶液冰点获得过冷溶液，并且稳定一段工作所需时间。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明可以通过半导体元件的电流以及导热导电棒的旋转很容易得到过冷溶液，实验很容易对导热导电棒下端附近过冷溶液的温度进行控制；为研究过冷溶液的物理化学性质，以及研究生物分子和生物体在过冷极端条件下的行为提供了可能。

附图说明

图1为本发明一实施例的电极结构示意图。

图中：1-电极，2-连接轴，3-过孔导电滑环，4-半导体制冷片，5-螺丝，6-导电电极，7-待测试溶液。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

参考图1，本发明涉及旋转超冷电极，通过电机1带动连接轴2，使连接轴带动的部分旋转起，形成旋转电极。连接轴下部夹持半导体元件（半导体元件由至少两个相对放置的半导体制冷片4组成）。半导体元件被4个螺丝5固定在连接轴上。半导体元件中间又夹持有一个上部被压成片状的导热导电棒6。且导热导电棒6和半导体元件的上端还通过过孔导电滑环3与电化学工作站连接，导热导电棒6的下端置于待测试溶液7中。

所述导热导电棒的材料为金、铂、银、铜等金属。导热导电棒下端的直径在1毫米~10毫米范围。

上述主要利用半导体材料的帕尔贴效应，当直流电通过多种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的多端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷和制热的目的。

本发明还涉及旋转超冷电极的制备方法，按如下进行：

（1）通过电机带动连接轴，使连接轴夹持的半导体元件和导热导电棒旋转起来，形成旋转电极。

（2）半导体元件的半导体制冷片为冷源，通过导热导电棒本身进行热交换，其中导热导电棒的上部被压成片状并被至少两个半导体制冷片4夹持；

（3）利用至少两个相对放置的半导体制冷片4，通过施加不同方向的电流和改变电流的大小来调节电极表面温度的升高和降低。

（4）将导热导电棒用环氧树脂胶固定，且导热导电棒下端置于待测试溶液中。

本发明旋转超冷电极的制备过程如下：

具体实施例1

1、将直径2毫米，长45毫米的铜棒上端长4厘米的部分压成厚度约为0.5毫米铜片。将长和宽都是4厘米，厚3.3毫米的2个半导体制冷片夹持被压成的铜片。

2、将上部分直径12毫米，下部分直径15毫米的铁棒作为连接轴，铁棒上端被电机夹持。将其下端约4厘米，距离其中轴线约4毫米的部分挖成空腔。将2个半导体制冷片和其夹持的铜片一起放入空腔中，并在对称的两侧用4个直径3.7毫米的螺丝固定。

3、将环氧树脂胶固定好的铜棒下端在伸入溶液处用砂纸磨平，使铜棒露出。

4、用过孔导电滑环夹持铁棒的上端。过孔导电滑环的下端转子导线连接加半导体制冷片和铜棒，上端的定子导线连接电化学工作站和直流电源。

5、将整个装置用铁架台固定好，并将铜棒的一端伸入溶液中。

6、启动电机，通过电机带动连接轴，使连接轴夹持的半导体元件和导热导电棒旋转起来，形成旋转电极，并通过对半导体施加电流，使温度降低到0度以下并稳定一段时间。

具体实施例2

1、将直径4毫米，长32毫米的铜棒上端长4厘米的部分压成厚度约为0.5毫米铜片。将铜片夹持在长3厘米，宽1.5厘米，厚3.3毫米的4个半导体制冷片的中间部位。

2、将上部分直径12毫米，下部分直径15毫米的铁棒作为连接轴，铁棒上端被电机夹持。将其下端约3厘米，距离其中轴线约7毫米的部分挖成空腔。将4个半导体制冷片和其夹持的铜片一起放入空腔中，并在对称的两侧用4个直径3.7毫米的螺丝固定。

3、将环氧树脂胶固定好的铜棒下端在伸入溶液处用砂纸磨平，使铜棒露出。

4、用过孔导电滑环夹持铁棒的上端。过孔导电滑环的下端转子导线连接加半导体制冷片和铜棒，上端的定子导线连接电化学工作站和直流电源。

5、将真个装置用铁架台固定好，并将铜棒的一端伸入溶液中。

6、启动电机，通过电机带动连接轴，使连接轴夹持的半导体元件和导热导电棒旋转起来，形成旋转电极，并通过对半导体施加电流，使温度降低到0度以下并稳定一段时间。

具体实施例3

1、将直径5毫米，长32毫米的金棒上端长3厘米的部分压成厚度约为0.5毫米金片。将长3厘米，宽1.5厘米，厚3.3毫米的2个半导体制冷片夹持被压成的金片。

2、将上部分直径12毫米，下部分直径15毫米的铁棒作为连接轴，铁棒上端被电机夹持。将其下端约3厘米，距离其中轴线约4毫米的部分挖成空腔。将2个半导体制冷片和其夹持的金片一起放入空腔中，并在对称的多侧用4个直径3.7毫米的螺丝固定。

3、将环氧树脂胶固定好的金棒下端在伸入溶液处用砂纸磨平，使金棒露出。

4、用过孔导电滑环夹持铁棒的上端。过孔导电滑环的下端转子导线连接加半导体制冷片和金棒，上端的定子导线连接电化学工作站和直流电源。

5、将整个装置用铁架台固定好，并将金棒的一端伸入溶液中。

6、启动电机，通过电机带动连接轴，使连接轴夹持的半导体元件和导热导电棒旋转起来，形成旋转电极，并通过对半导体施加电流，使温度降低到0度以下并稳定一段时间。

具体实施例4

1、将直径5毫米，长32毫米的铂棒上端长4厘米的部分压成厚度约为0.5毫米铂片。将铂片夹持在长和宽都是4厘米，厚3.3毫米的4个半导体制冷片的中间部位。

2、将上部分直径12毫米，下部分直径15毫米的铁棒作为连接轴，铁棒上端被电机夹持。将其下端约4厘米，距离其中轴线约7毫米的部分挖成空腔。将4个半导体制冷片和其夹持的金片一起放入空腔中，并在对称的两侧用4个直径3.7毫米的螺丝固定。

3、将环氧树脂胶固定好的铂棒下端在伸入溶液处用砂纸磨平，使铂棒露出。

4、用过孔导电滑环夹持铁棒的上端。过孔导电滑环的下端转子导线连接加半导体制冷片和铂棒，上端的定子导线连接电化学工作站和直流电源。

5、将整个装置用铁架台固定好，并将铂棒的一端伸入溶液中。

6、启动电机，通过电机带动连接轴，使连接轴夹持的半导体元件和导热导电棒旋转起来，形成旋转电极，并通过对半导体施加电流，使电极表面温度降低到0度以下并稳定一段时间。

上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种旋转超冷电极，其特征在于：包括一导电电极及一电机，所述导电电极通过电机连接轴与电机连接，以使得电机能够带动导电电极旋转保证导电电极能够在表面温度低于零度时不结冰，形成旋转超冷电极；所述导电电极包括导热导电棒及至少一个半导体元件，所述半导体元件被夹持于所述电机连接轴上，所述导热导电棒被夹持于所述半导体元件中间，且所述导热导电棒长于所述半导体元件，以使得导热导电棒的下端伸出半导体元件；所述导电电极通过半导体元件的制冷片制冷或通过制冷剂制冷；所述电机转速为100转每分钟至3000转每分钟。

2.根据权利要求1所述的旋转超冷电极，其特征在于：所述导热导电棒与半导体元件的上端通过过孔导电滑环与电化学工作站连接，所述导热导电棒的下端置于待测溶液中。

3.根据权利要求1至2任意一项所述的旋转超冷电极，其特征在于：所述半导体元件由对称的两片或多片半导体制冷片组成。

4.根据权利要求1至2任意一项所述的旋转超冷电极，其特征在于：所述导热导电棒的直径为1毫米至10毫米范围之间。

5.根据权利要求1至2任意一项所述的旋转超冷电极，其特征在于：所述导热导电棒的材料为碳质材料、包括金、铂、银、铜的金属或合金。

6.一种旋转超冷电极的制造方法，其特征在于：包括如下步骤，

S1：将至少两个半导体制冷片对称放置，构成半导体元件，还提供一长于半导体制冷片的导热导电棒，所述导热导电棒的上部被压成薄片状并夹持于至少两个对称放置的半导体制冷片之间，所述导热导电棒的下端伸出半导体制冷片；

S2：提供一连接轴，所述连接轴上端与电机轴连接，所述连接轴下端挖成空腔，以夹持半导体制冷片及其夹持的导热导电棒；

S3：将过孔导电滑环套于连接轴上，且所述过孔导电滑环的下端转子导线连接半导体制冷片及导热导电棒，过孔导电滑环的上端定子导线连接电化学工作站及直流电源；

S4：将导热导电棒的下端伸入待测溶液中，通过电机带动半导体制冷片及导热导电棒旋转，形成旋转电极，并通过对半导体制冷片施加电流，使得温度降低至低于溶液冰点并稳定一段时间。

7.根据权利要求6所述的一种旋转超冷电极的制造方法，其特征在于：所述半导体制冷片与导热导电棒通过环氧树脂胶固定。

8.一种基于权利要求1所述旋转超冷电极的过冷溶液制备方法，其特征在于：包括如下步骤，

（1）将导热导电棒的下端伸入待测溶液中，通过电机带动半导体元件及导热导电棒旋转；

（2）由于导热导电棒与半导体元件之间进行热交换，通过对半导体元件施加不同方向的电流及改变电流的大小来调节电极表面温度，使其低于溶液冰点获得过冷溶液，并且稳定一段工作所需时间。