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用多孔仿生纤维 织就一款北极熊“毛衣”

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发表于 2018-8-19 14:15:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
具有“热隐身”功能的仿生隔热织物,在红外相机下显示隔热效果。卢绍庆供图
生活在极地世界的北极熊是最不怕冷动物之一,原因自然是北极熊自带一身最抗寒的“皮草”。近日,浙江大学化学工程与生物工程学院柏浩教授团队用独特的“冻纺”术纺出人造纤维,其隔热性能可与北极熊的毛发媲美。
该研究成果的论文《仿北极熊毛的隔热织物》在《先进材料》发表后,《自然》《新科学家》和美国化学会等进行了陆续报道。
多孔毛发“锁住”北极熊体温
众所周知,北极熊一身轻盈油亮的毛发能够将热量紧紧地锁在体表内,为其创造温暖舒适的微环境。每根北极熊的毛大约15厘米长,直径和人的头发差不多粗细。但放在电镜下观察会发现,其毛发有一根中空而半透明的小孔,小孔周围还有许多更为狭长的小孔,也沿着同一方向伸展。
柏浩告诉记者,毛发中的小孔内“封装”着空气,空气静止了,热对流就无法产生,从而减少了热量的流失。北极熊的毛几乎不泄露热量,即使用红外相机拍摄,也无法探测到热量。
于是,柏浩思考,能不能做出一件北极熊的“毛衣”来,帮助人类抵抗严寒呢?
“冻纺”术造就低成本“热隐身”纤维
经过一年多尝试,团队开发出一种“冻纺”术,用天然的蚕丝蛋白纺成纤维,其结构与隔热功能都可与北极熊的毛媲美。
在实验室内,记者看到了一台正在工作的“纺纱机”:浓度为5%的蚕丝蛋白水溶液,被注射穿过一个冰冷的铜环,水溶液中的水遇冷凝成冰晶,溶液被重新“塑形”成纤维。这些纤维经过冷冻干燥,冰晶蒸发了,便留下一条条由蚕丝蛋白组成的纤维“仿制毛”。
在电镜下“仿制毛”内部层层有序地分布着狭长小孔。“多孔材料质地往往较脆,而这种层层有序的分布,赋予了材料一定的强度。”柏浩表示,这是材料实现纺织和穿戴的必要条件。
团队将人造纤维织成一块布,并通过实验证明,在-10℃到40℃的环境中,小兔子体表温度被锁在了人造纤维的衣服内,从而实现了完美“热隐身”。课题组还通过对比发现,在导热率方面,天然北极熊毛的为27,仿生纤维的最低为19。而导热率越低,代表隔热性能越好。
仿生终极目标超越自然材料
这一仿生隔热纤维的诞生,也展示了美好的应用前景:未来的冬天,我们或许可告别厚重的外套,披一件薄如蝉翼的“毛衣”便可出门;野外作战的士兵,在“热隐身衣”的保护下,可成功躲过红外探测……
“在隔热功能上仿生北极熊,这只是我们研究的第一步。”柏浩说,仿生的终极目的,并不是制造出和自然一模一样的产品,而是研发设计功能更为强大的材料。
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