浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)模仿北極熊毛的結(jié)構(gòu)，制備出一種封裝了氣凝膠的超保暖人造纖維，這種材料同時(shí)具備保暖、輕薄和耐用的特點(diǎn)。22日，這項(xiàng)成果相關(guān)論文發(fā)表于國(guó)際期刊《科學(xué)》雜志。

　　該成果由浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院柏浩教授和高分子科學(xué)與工程學(xué)系高微微副教授團(tuán)隊(duì)完成。

　　為了讓衣物在保暖的同時(shí)更加輕薄，人們自然想到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(guò)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(wèn)題，限制了下一代保暖衣物性能提升的空間。

　　柏浩說(shuō)，北極熊依靠一身超強(qiáng)保暖的毛發(fā)能適應(yīng)零下40攝氏度的環(huán)境。他們發(fā)現(xiàn)，北極熊毛是中空結(jié)構(gòu)，里面封裝了大量“靜止”的空氣，每一根毛發(fā)都有一層殼。在電子顯微鏡下，這層殼大概有20微米厚，占了毛發(fā)直徑的近四分之一。

　　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(lái)。

　　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。“保暖從一定程度上講就是防止熱量流失。”論文第一作者、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(guò)調(diào)控纖維內(nèi)部小孔的方向與尺寸，有望“鎖住”紅外輻射。“紅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。”吳明瑞說(shuō)。

　　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。”高微微說(shuō)，“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。”

　　“北極熊毛讓我們看到了大自然是如何讓‘核’與‘殼’各司其職的，仿生研究的本質(zhì)就是向大自然學(xué)習(xí)如何解決問(wèn)題。”柏浩說(shuō)，通過(guò)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，也是團(tuán)隊(duì)多年來(lái)堅(jiān)持的追求。


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