每经编辑 李泽东
据新华社12月23日报道，浙江大学团队通过模仿北极熊毛的结构，制备出一种封装了气凝胶的超保暖人造纤维，这种材料同时具备保暖、轻薄和耐用的特点。22日，这项成果相关论文发表于国际期刊《科学》杂志。
该成果由浙江大学化学工程与生物工程学院柏浩教授和高分子科学与工程学系高微微副教授团队完成。
为了让衣物在保暖的同时更加轻薄，人们自然想到用更少的材料封装更多的空气。孔隙率极高、密度比空气还小的气凝胶是一种理想选择。在过去几十年中，人们试图将气凝胶涂装在织物表面，或者直接“纺”出含有气凝胶的纤维。
然而，气凝胶涂层容易脱落，材料气凝胶含量有限，耐磨、抗拉伸等力学性能不佳等问题，限制了下一代保暖衣物性能提升的空间。
柏浩说，北极熊依靠一身超强保暖的毛发能适应零下40摄氏度的环境。他们发现，北极熊毛是中空结构，里面封装了大量“静止”的空气，每一根毛发都有一层壳。在电子显微镜下，这层壳大概有20微米厚，占了毛发直径的近四分之一。
图为北极熊毛在光学显微镜下的照片。（图片由浙江大学提供）借鉴北极熊毛的 “核-壳”结构，历时近6年，团队研制出一种新型纤维，其中心是高分子气凝胶，内部分布着直径大约10到30微米的纤长小孔，它们朝同一个方向排列，像一间间存储空气的“仓库”。同时，一层TPU（热塑性聚氨酯弹性体）外壳将内部的气凝胶包裹起来。
一核一壳，各有各的功用，其中“核”负责实现超强保暖。“保暖从一定程度上讲就是防止热量流失。”论文第一作者、博士生吴明瑞介绍，人体散热的主要形式包括热辐射、热对流、热传导以及汗液蒸发等，其中热辐射的影响最大，热量以红外辐射的形式流失。然而，现有的保暖衣物在调控热辐射方面能力有限。
研究团队认为，通过调控纤维内部小孔的方向与尺寸，有望“锁住”红外辐射。“红外线是从皮肤向外辐射，让小孔的取向与辐射方向垂直，同时调整尺寸，有望匹配红外线的波长，从而达到‘锁’住红外辐射的目的。”吴明瑞说。
为了验证保暖效果，研究人员把学校食堂零下20摄氏度的恒温冷库变成了临时“试衣间”，在这里举办了一场“保暖挑战赛”。论文作者、博士生张子倍担任模特，分别试穿初始温度相同的羽绒衣、羊毛毛衣、棉毛衫和“北极熊毛衣”，并记录衣物表面温度的上升情况。
几分钟后，棉毛衫表面温度上升到10.8摄氏度、羽绒衣表面温度上升到3.8摄氏度。而厚度和羊毛毛衣接近，仅为羽绒衣1/3到1/5的“北极熊毛衣”表面温度只上升到3.5摄氏度。升温越少代表人体热量流失越少，因此“北极熊毛衣”完胜其他对手。
“新型气凝胶纤维能够多管齐下应对热辐射、热对流、热传导，保暖性能因此提升了一大步。”高微微说，“目前所有绝热材料都是靠封装尽量多的空气或者真空抑制热传导和热对流。我们的纤维具有有序的孔结构，抑制了热辐射。”
图为研究人员在零下20摄氏度的冷库中测试“北极熊毛衣”、羽绒衣、羊毛衣、棉毛衫（从左至右）四种服装的保暖效果。（图片由浙江大学提供）
“北极熊毛让我们看到了大自然是如何让‘核’与‘壳’各司其职的，仿生研究的本质就是向大自然学习如何解决问题。”柏浩说，通过揭示大自然的秘密，发现新知识，创造改善人们生活的新材料是仿生研究的使命，也是团队多年来坚持的追求。
每日经济新闻综合新华社、中国科学报
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