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“冻纺”纤维隔热性能媲美北极熊毛发

查看:1877 来源:中国科学报

天寒地冻的冰雪世界里,北极熊们自带一身最抗寒“天然毛衣”繁衍生息。浙江大学化学工程与生物工程学院柏浩教授团队受此启发,用独特的“冻纺”术纺出一根根人造纤维,隔热性能可与北极熊的毛发媲美。


相关论文《仿北极熊毛的隔热织物》发表在2月14日上线的《先进材料》后,《自然》《新科学家》和美国化学会等陆续将此作为科学研究亮点进行了报道。


北极熊的毛,有可能是自然界最抗寒的保温材料。柏浩平时很爱看北极熊的纪录片,他同时是一位仿生智能材料专家,赞叹大自然的同时,他还在琢磨:我能不能做出一件北极熊的“毛衣”?


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。


在实验室里,这台自动“纺纱机”在工作。浓度为5%的蚕丝蛋白水溶液,被针头缓缓地注射穿过一个冰冷的铜环,水溶液中的水遇冷瞬间凝成了冰晶,水溶液被重新“塑形”成为连续的纤维。在这个过程中,冰晶发挥了“塑形”的功能,不但形成了纤维的“骨架”,也在纤维内部形成了有序的空间。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,外形酷似北极熊的毛。


论文第一作者、硕士二年级的崔滢同学用电镜拍摄了这根“仿制毛”的微观结构:纤维内部层层有序地分布着狭长的小孔。“通常来说,多孔材料的质地会比较脆,而这种层层有序的分布,赋予了材料一定的强度。”柏浩认为,这是材料实现纺织和穿戴的必要条件。


崔滢用镊子穿针引线,将人造纤维织成一块布。所用的蚕丝蛋白的量,相当于两颗蚕茧。课题组请一只小白兔当模特,第一个试穿这种材料。在-10℃到40℃的环境中,科学家用红外相机给小兔子拍照。照片上,小兔子头部的轮廓清晰可见,而穿着“毛衣”的身躯不见了,实现了完美热隐身!原来,小兔子体表的温度被锁在了“毛衣”里,红外相机无法捕捉到流失的热量。


课题组还对天然北极熊毛与人造北极熊毛的导热率进行了对比,天然北极熊毛的导热率是27,接近于静止的空气26,而“山寨”版仿生纤维的导热率最低为19。导热率越低,表示隔热性能越好。


论文一出,国际上许多媒体对这项研究产生了浓厚的兴趣。这一仿生隔热纤维展示了美好的应用前景:未来的冬天,我们或许可以告别厚重的外套,批一件薄如蝉翼的“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,而是在大自然的启发下,研发设计功能更为强大的材料。课题组目前已经做出一些探索:比如,在纤维中加入导电的碳纳米管,就可以做出用于户外的便携式电热毯,充电数秒,温度就可以上升10摄氏度。不但隔热,还是“秒热”。“此外,我们还在研发用于高温隔热的功能材料。”柏浩说。



来源:中国科学报 / 崔雪芹

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