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　　受極地居民北極熊的“大厚毛衣”啟發(fā)，浙江大學(xué)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(xué)》。

　　“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(xué)性能大大提升，可直接機(jī)織，真正實(shí)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(yán)寒。

　　從北極熊身上得到的啟示

　　北極熊天生一身超強(qiáng)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(dǎo)和熱對(duì)流減少熱量的流失。如今許多保暖衣物的設(shè)計(jì)運(yùn)用了這一原理，比如衣物采用的羊毛、羽絨都有抑制熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的作用。

　　為了讓衣物在保暖的同時(shí)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?cè)噲D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(xué)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(shí)實(shí)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(gè)被忽略的細(xì)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(gè)發(fā)現(xiàn)，啟發(fā)團(tuán)隊(duì)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(shí)近6年，團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)小孔，它們朝同一個(gè)方向排列，像一間間存儲(chǔ)空氣的“倉(cāng)庫(kù)”。同時(shí)，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(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)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(duì)流、熱傳導(dǎo)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?zé)彷椛浞矫婺芰τ邢蕖?/p>

　　研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)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(shí)調(diào)整尺寸，有望匹配紅外線的波長(zhǎng)，從而達(dá)到‘鎖’住紅外輻射的目的?！眳敲魅鹫f。

　　為了驗(yàn)證保暖效果，研究人員把學(xué)校食堂零下20攝氏度的恒溫冷庫(kù)變成了臨時(shí)“試衣間”，在這里舉辦了一場(chǎng)“保暖挑戰(zhàn)賽”。論文作者、博士生張子倍擔(dān)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(duì)手。

　　“新型氣凝膠纖維能夠多管齊下應(yīng)對(duì)熱輻射、熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)，保暖性能因此提升了一大步?！备呶⑽⒄f，“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(dǎo)和熱對(duì)流。我們的纖維具有有序的孔結(jié)構(gòu)，抑制了熱輻射。”

　　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(duì)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(tuán)隊(duì)為纖維設(shè)計(jì)了一種TPU外殼。在實(shí)驗(yàn)中，擁有外殼的新型纖維能被拉伸到自身長(zhǎng)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(cè)試，從實(shí)驗(yàn)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(jī)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(xué)支撐，使其耐磨、耐拉伸、耐水洗?！卑睾普f。

　　但殼并不是越強(qiáng)越好。吳明瑞介紹，過厚的殼會(huì)影響纖維的保暖性能，因此，團(tuán)隊(duì)選取了一個(gè)最優(yōu)值，兼顧材料的保暖性能和力學(xué)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(jì)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(jì)而成的?！?/p>

　　審稿人在與團(tuán)隊(duì)討論論文措辭時(shí)，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(xué)習(xí)如何解決問題，仿生是一個(gè)無(wú)止境的學(xué)習(xí)過程，現(xiàn)在說‘超越’為時(shí)過早。新問題會(huì)促使我們繼續(xù)向大自然學(xué)習(xí)，不斷揭示大自然的秘密、發(fā)現(xiàn)新知識(shí)、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。