模仿北極熊毛，我國制備出超保暖人造纖維！“北極熊毛衣”保暖完勝羽絨服、棉毛衫……

每經(jīng)編輯 李澤東

據(jù)新華社12月23日報道，浙江大學(xué)團隊通過模仿北極熊毛的結(jié)構(gòu)，制備出一種封裝了氣凝膠的超保暖人造纖維，這種材料同時具備保暖、輕薄和耐用的特點。22日，這項成果相關(guān)論文發(fā)表于國際期刊《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)系高微微副教授團隊完成。

為了讓衣物在保暖的同時更加輕薄，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。

柏浩說，北極熊依靠一身超強保暖的毛發(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。

圖為北極熊毛在光學(xué)顯微鏡下的照片。（圖片由浙江大學(xué)提供）

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。“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。“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。”吳明瑞說。

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。”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(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。”

圖為研究人員在零下20攝氏度的冷庫中測試“北極熊毛衣”、羽絨衣、羊毛衣、棉毛衫（從左至右）四種服裝的保暖效果。（圖片由浙江大學(xué)提供）

“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)如何解決問題。”柏浩說，通過揭示大自然的秘密，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，也是團隊多年來堅持的追求。

每日經(jīng)濟新聞綜合新華社、中國科學(xué)報