浙江大學團隊通過模仿北極熊毛的結構，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，這項成果相關論文發(fā)表于國際期刊《科學》雜志。
該成果由浙江大學化學工程與生物工程學院柏浩教授和高分子科學與工程學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。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)能適應零下40攝氏度的環(huán)境。他們發(fā)現(xiàn)，北極熊毛是中空結構，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”結構，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”負責實現(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)有的保暖衣物在調控熱輻射方面能力有限。
研究團隊認為，通過調控纖維內(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，同時調整尺寸，有望匹配紅外線的波長，從而達到‘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對熱輻射、熱對流、熱傳導，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和熱對流。我們的纖維具有有序的孔結構，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，仿生研究的本質就是向大自然學習如何解決問題。”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。
