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仿生“北極熊毛衣”及其微觀結(jié)構(gòu)。浙江大學供圖
受極地居民北極熊的“大厚毛衣”啟發(fā)，浙江大學教授柏浩和副教授高微微悟出了一種新策略。他們通過模仿北極熊毛的“核-殼”結(jié)構(gòu)，制備出一種封裝了氣凝膠的超保暖人造纖維。相關(guān)論文12月22日發(fā)表于《科學》。
“它具有傳統(tǒng)保溫材料隔熱功能，并能‘封鎖’人體向外輻射的紅外線。相較傳統(tǒng)材料，它的耐拉伸等力學性能大大提升，可直接機織，真正實現(xiàn)把氣凝膠穿在身上?！闭撐耐ㄓ嵶髡甙睾票硎?，不久的將來，人們有望只穿一件薄薄的襯衫，就能像北極熊一樣不畏嚴寒。
從北極熊身上得到的啟示
北極熊天生一身超強保暖“毛衣” ，使其能適應(yīng)零下40攝氏度的環(huán)境。北極熊的毛是中空結(jié)構(gòu)，里面封裝了大量“靜止”的空氣，通過抑制熱傳導和熱對流減少熱量的流失。如今許多保暖衣物的設(shè)計運用了這一原理，比如衣物采用的羊毛、羽絨都有抑制熱傳導和熱對流的作用。
為了讓衣物在保暖的同時更加輕薄，人們自然想到了用更少的材料封裝更多的空氣?？紫堵蕵O高、密度比空氣還小的氣凝膠是一種理想選擇。在過去幾十年中，人們試圖將氣凝膠涂裝在織物表面，或者直接“紡”出含有氣凝膠的纖維。
然而，氣凝膠涂層容易脫落，材料氣凝膠含量有限，耐磨、抗拉伸等力學性能不佳等問題，限制了下一代保暖衣物性能提升的空間。
在這樣的背景下，2018年，柏浩課題組做出了第一代“北極熊毛衣”。但現(xiàn)有的幾種方案不能同時實現(xiàn)保暖、輕薄和耐用。
帶著新的挑戰(zhàn)，柏浩課題組再次翻開了他們的“教科書”——北極熊毛。果然，他們注意到一個被忽略的細節(jié)：北極熊的毛不僅是中空的，而且還有一層殼！在電子顯微鏡下，這層殼大概有20微米厚，占毛發(fā)直徑的近1/4。正是這個發(fā)現(xiàn)，啟發(fā)團隊研制“北極熊毛2.0”。
“鎖”住紅外輻射
借鑒北極熊毛的 “核-殼”結(jié)構(gòu)，歷時近6年，團隊研制出一種新型纖維，其中心是高分子氣凝膠，內(nèi)部分布著直徑大約10到30微米的纖長小孔，它們朝同一個方向排列，像一間間存儲空氣的“倉庫”。同時，一層TPU（熱塑性聚氨酯彈性體）外殼將內(nèi)部的氣凝膠包裹起來。
一核一殼，各有各的功用，其中“核”負責實現(xiàn)超強保暖?！氨Ｅ瘡囊欢ǔ潭壬现v就是防止熱量流失?！闭撐牡谝蛔髡?、博士生吳明瑞介紹，人體散熱的主要形式包括熱輻射、熱對流、熱傳導以及汗液蒸發(fā)等，其中熱輻射的影響最大，熱量以紅外輻射的形式流失。然而，現(xiàn)有的保暖衣物在調(diào)控熱輻射方面能力有限。
研究團隊認為，通過調(diào)控纖維內(nèi)部小孔的方向與尺寸，有望“鎖住”紅外輻射?！凹t外線是從皮膚向外輻射，讓小孔的取向與輻射方向垂直，同時調(diào)整尺寸，有望匹配紅外線的波長，從而達到‘鎖’住紅外輻射的目的。”吳明瑞說。
為了驗證保暖效果，研究人員把學校食堂零下20攝氏度的恒溫冷庫變成了臨時“試衣間”，在這里舉辦了一場“保暖挑戰(zhàn)賽”。論文作者、博士生張子倍擔任模特，分別試穿初始溫度相同的羽絨衣、羊毛毛衣、棉毛衫和“北極熊毛衣”，并記錄衣物表面溫度的上升情況。
幾分鐘后，棉毛衫表面溫度上升到10.8攝氏度、羽絨衣表面溫度上升到3.8攝氏度。而厚度和羊毛毛衣接近，僅為羽絨衣1/3到1/5的“北極熊毛衣”表面溫度只上升到3.5攝氏度。升溫越少代表人體熱量流失越少，因此“北極熊毛衣”完勝其他對手。
“新型氣凝膠纖維能夠多管齊下應(yīng)對熱輻射、熱對流、熱傳導，保暖性能因此提升了一大步。”高微微說，“目前所有絕熱材料都是靠封裝盡量多的空氣或者真空抑制熱傳導和熱對流。我們的纖維具有有序的孔結(jié)構(gòu)，抑制了熱輻射?！?span style="display:none">Z0Z即熱新聞——關(guān)注每天科技社會生活新變化gihot.com
可直接紡織面料
“良好的綜合性能是仿生纖維應(yīng)用的關(guān)鍵。纖維織物相對于靜態(tài)絕熱的要求更為苛刻，還需解決耐拉、耐壓、耐洗、減薄等一系列問題。”柏浩說。
團隊為纖維設(shè)計了一種TPU外殼。在實驗中，擁有外殼的新型纖維能被拉伸到自身長度的兩倍而不斷裂，很好地滿足了衣物纖維的抗拉伸需求。經(jīng)測試，從實驗室連續(xù)宏量制備出來的仿生纖維，可以直接在商用紡織機上編織成面料。
“外殼就像骨架一樣，為纖維提供了良好的力學支撐，使其耐磨、耐拉伸、耐水洗?！卑睾普f。
但殼并不是越強越好。吳明瑞介紹，過厚的殼會影響纖維的保暖性能，因此，團隊選取了一個最優(yōu)值，兼顧材料的保暖性能和力學性能。
“北極熊毛讓我們看到了大自然是如何通過‘解耦’設(shè)計解決問題的。核與殼各司其職，缺一不可，共同成就了自然界最抗寒的材料之一?！卑睾普f，“新型可編織氣凝膠纖維，正是遵循這一思路設(shè)計而成的。”
審稿人在與團隊討論論文措辭時，提議“不妨說人造北極熊毛‘超越’了天然北極熊毛”，但在柏浩看來，“超越”一詞并不一定合適。
“仿生的本質(zhì)是向大自然學習如何解決問題，仿生是一個無止境的學習過程，現(xiàn)在說‘超越’為時過早。新問題會促使我們繼續(xù)向大自然學習，不斷揭示大自然的秘密、發(fā)現(xiàn)新知識、創(chuàng)造改善人們生活的新材料是仿生研究的使命，也是我們多年來的追求?！卑睾普f。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adj8013
《中國科學報》 (2023-12-22 第1版 要聞)本文鏈接：http://www.3ypm.com.cn/news-8-602-0.html不畏嚴寒！我國科學家織就“北極熊毛衣”
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