不畏嚴(yán)寒！我國科學(xué)家織就“北極熊毛衣”

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(yán)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(dǎo)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(dǎo)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。孔隙率極高、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(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(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(fù)責(zé)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?！闭撐牡谝蛔髡摺⒉┦可鷧敲魅鸾榻B，人體散熱的主要形式包括熱輻射、熱對流、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>

研究團隊認(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，同時調(diào)整尺寸，有望匹配紅外線的波長，從而達(dá)到‘鎖’住紅外輻射的目的?！眳敲魅鹫f。

為了驗證保暖效果，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(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(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)和熱對流。我們的纖維具有有序的孔結(jié)構(gòu)，抑制了熱輻射?！?/p>

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?！卑睾普f。

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(xué)支撐，使其耐磨、耐拉伸、耐水洗。”柏浩說。

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(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?！?/p>

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(xué)習(xí)如何解決問題，仿生是一個無止境的學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)，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。