浙大研發(fā)山寨版北極熊毛

何頡

據(jù)國際期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）報道，浙江大學(xué)研究人員受到北極熊毛微觀結(jié)構(gòu)和隔熱功能的啟發(fā)，利用“冷凍紡絲”技術(shù)，將絲素蛋白溶液制成具有多孔微結(jié)構(gòu)的“智能仿生纖維”。用這種纖維編織的紡織品具有優(yōu)異的保溫性，保暖性能甚至比北極熊毛更強(qiáng)，同時還具有良好的透氣性和耐磨性，這是其他紡織方法難以實現(xiàn)的。除了被動隔熱，當(dāng)這種纖維摻人碳納米管時，還可實現(xiàn)電加熱功能。更令人意想不到的是，穿上這種纖維做的服裝后，用戶在紅外熱成像設(shè)備上可完美實現(xiàn)“熱隱身”，這在軍事領(lǐng)域應(yīng)會有用武之地。這是怎么回事呢？

北極熊毛發(fā)啟發(fā)隱形織物開發(fā)

現(xiàn)實中，沒有人能像魔法師哈利·波特那樣擁有隱形斗篷，但科技界并不乏“隱形”技術(shù)。美國化學(xué)會構(gòu)想了這么一幅生動的畫面：有一只小兔子，能偷蘿卜、偷蔬菜，它作為一只溫血動物，卻完美躲過紅外相機(jī)的監(jiān)視……原來，這要?dú)w功于它穿著浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院柏浩教授團(tuán)隊研發(fā)的“山寨北極熊毛”。

作為一名仿生智能材料專家，柏浩教授曾帶領(lǐng)團(tuán)隊深入研究蜘蛛絲和仙人掌的集水問題，發(fā)現(xiàn)它們能夠從潤濕的空氣中高效捕獲和收集水。這一特性得益于二者表面特殊的微結(jié)構(gòu)，能夠驅(qū)動尺度很小的微量液體。其團(tuán)隊利用多種物理、化學(xué)方法制造出了具有類似蜘蛛絲表面結(jié)構(gòu)的仿生高分子纖維材料，可定向驅(qū)動和收集微小液滴。據(jù)了解，這種材料在淡水收集、氣凝膠過濾、生物檢測、智能催化等領(lǐng)域都有極大的潛在應(yīng)用價值。

有一次，柏浩在觀看北極熊相關(guān)紀(jì)錄片時就思考：北極熊為什么不怕冷，能在極寒的北極閑庭信步？其實它輕盈油亮的“皮草”功不可沒。那一身毛發(fā)能將熱量緊緊鎖在體內(nèi)，隔絕了與外界的熱量交換，從而幫助它們抗寒。白那以后，柏浩開始琢磨如何做出一件可媲美北極熊毛的“毛衣”。

靜止空氣越多越保暖

要了解北極熊毛的功能，不妨先了解下“保暖”的原理——阻止熱量流失。人體自身是一個發(fā)熱恒溫體，這些熱量如果釋放較少或較慢，人就會感到溫暖。熱量通過熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射3種方式來傳遞。舉幾個生活中的例子，冬天手里捧個熱水袋覺得熱乎，就是傳導(dǎo);刮西北風(fēng)導(dǎo)致氣溫下降，就是對流;曬太陽覺得熱，就是輻射。

熱量傳遞必須有物質(zhì)來當(dāng)媒介，才能將熱量從高溫處傳給低溫處。不同材料的導(dǎo)熱性各不相同，一般用“導(dǎo)熱系數(shù)”表示，導(dǎo)熱系數(shù)越高即散熱性越好，比如金屬的導(dǎo)熱系數(shù)普遍比木材高。相反，導(dǎo)熱系數(shù)越低，材料的保暖性越好。

比如羊毛的導(dǎo)熱系數(shù)是0.052瓦/（米·攝氏度），比起導(dǎo)熱系數(shù)0.071瓦/（米·攝氏度）的棉，以及導(dǎo)熱系數(shù)0.055瓦/（米·攝氏度）的蠶絲都低，所以羊毛的保暖程度比棉花和蠶絲都要好。一般認(rèn)為導(dǎo)熱系數(shù)不超過0.175瓦/（米·攝氏度）的材料就屬于“絕熱材料”。不過，靜止、干燥的空氣導(dǎo)熱系數(shù)更小，只有0.026瓦/（米·攝氏度），這也意味著空氣的保暖性最好。當(dāng)然，外界的空氣由于是流動的，起不到保溫作用。人穿衣服后，衣服和人體之間會形成一層“靜止空氣”，可阻隔衣服內(nèi)外的空氣對流，減少熱量散失。所以衣服的纖維中儲存越多的空氣，保暖效果就越顯著。

柏教授的團(tuán)隊研究了北極熊“天然大衣”的微觀結(jié)構(gòu)和保溫性能，發(fā)現(xiàn)每根北極熊毛長約15厘米，直徑約200微米。它有一根中空而半透明的小管，小管周圍則布滿孔徑15～20微米左右的小孔，也沿著同一方向伸展。這些小孔封裝著空氣，由于這些空氣導(dǎo)熱系數(shù)低，又相對靜止，使得北極熊的毛幾乎不與外界傳遞熱量，可謂一個熱絕緣體。如果用紅外相機(jī)拍攝它們，是看不到“熊形”的。

多孔材料用于保溫在生活中并不稀奇，生活中常見的泡沫塑料就是其中一種，所以運(yùn)冷凍食品和街頭賣冰棍的都拿它當(dāng)容器。不過，想做出世界上獨(dú)一無二的“山寨北極熊毛”穿在身上，除了微觀結(jié)構(gòu)要逼真外，對材質(zhì)、強(qiáng)度、舒適度等方面也有很高的要求。

“冷凍紡絲”技術(shù)兼顧強(qiáng)度與保暖

柏浩課題組經(jīng)過一年多的研發(fā)，已經(jīng)找到一種方法，可以相對連續(xù)大規(guī)模地制造北極熊毛仿生纖維。這種方法被稱為“冷凍紡絲”，它將兩種技術(shù)結(jié)合在一起：定向冷凍和溶液紡絲。他們從蠶絲中提取絲素蛋白，溶解于水中，制成含水量達(dá)95%的紡絲溶液，再用泵控制的注射器將紡絲溶液慢慢推入冷凍裝置——一個低溫銅環(huán)。此時，溶液中的水受冷結(jié)成扁平冰晶，冰晶將蠶絲蛋白擠壓到相鄰的冰晶中間，再通過冷凍干燥的方法，令冰晶升華，從而留下眾多片層孔，這么一來，蠶絲蛋白就被“塑形”成直徑約200微米的單絲纖維，外形酷似北極熊的毛。

從電子顯微鏡看這根“仿制毛”的微觀結(jié)構(gòu)：纖維內(nèi)部層層有序地（對齊）分布著許多狹長的小孔。孔隙率高達(dá)87%。通常來說，多孔材料的質(zhì)地會比較脆，然而，柏浩團(tuán)隊這種制造方法使仿制毛的內(nèi)腔孔洞相對整齊、連續(xù)排列，確保了纖維的結(jié)構(gòu)完整性，防止它們變脆，賦予了材料一定的強(qiáng)度。

更可喜的是，“原版”北極熊毛的導(dǎo)熱系數(shù)為0.027瓦/（米·攝氏度），而這種山寨版的導(dǎo)熱系數(shù)只有0.019～0.022瓦/（米·攝氏度），保暖性能可謂“青出于藍(lán)而勝于藍(lán)”。

調(diào)整水狀混合物的粘度和調(diào)節(jié)銅環(huán)的溫度等不同條件之后，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)在零下100攝氏度下運(yùn)行該過程，產(chǎn)生直徑約30微米的孔，能使仿生纖維的強(qiáng)度和隔熱性能達(dá)到完美平衡狀態(tài)。法國陶瓷合成和功能化實驗室的研究主任西爾凡·德維爾（ Sylvain Deville），也用這種“冰模法”制造過多孔纖維。但他坦言，柏浩團(tuán)隊對于纖維強(qiáng)度和保溫性的兼顧確實做得更好。

未來“毛衣”或薄如蟬翼

為測試這種纖維的保溫性，柏浩的學(xué)生崔瀅穿針引線，將這種人造纖維織成一塊布，其蠶絲蛋白含量相當(dāng)于兩顆蠶繭。隨后，他們找來一只小白兔當(dāng)模特，試穿這種材料。在零下10攝氏度到40攝氏度的環(huán)境溫度中，研究人員用紅外相機(jī)給小兔子拍照。無論背景溫度是40攝氏度，15攝氏度還是零下10攝氏度，照片上，小兔子頭部的輪廓都清晰可見，而穿著“毛衣”的身軀卻看不見，完美實現(xiàn)“隱身”。原來，小兔子體表的溫度被“毛衣”鎖定，紅外相機(jī)因捕捉不到向外散發(fā)的熱量而無法成像。這種纖維織物能保持兔子的體溫不變，還讓它保持舒適。

據(jù)了解，這種人造纖維的優(yōu)異保溫性能其實依靠的是熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射3種途徑的共同作用：大量孔道使纖維內(nèi)部能夠容納很多空氣，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)非常小，大大降低了機(jī)體與外界的熱傳導(dǎo);復(fù)雜的孔道結(jié)構(gòu)使得空氣流動受限，減少了熱對流;多層孔壁結(jié)構(gòu)還能反射外界的熱輻射，避免外界熱量進(jìn)入，可實現(xiàn)“冬不冷、夏不熱”的效果。

雖然它并非真正的隱形斗篷，但這種生產(chǎn)“紅外隱形毛衣”的方法或許可以用于冬季裝備的生產(chǎn)。如果可以大規(guī)模量產(chǎn)，那對于抗寒保暖而言無疑是革命性的。有了這樣性能“逆天”的材料做衣服，未來的冬天，我們就可以告別厚重的大衣，披一件薄如蟬翼的“毛衣”便可出門，聽著是不是就很激動？

被動隔熱+主動生熱

柏浩教授表示，在隔熱保溫功能上仿生北極熊毛只是研究的第一步。仿生的終極目的，并非機(jī)械地制造出和大自然一模一樣的產(chǎn)品，而是在大自然的啟發(fā)下，開發(fā)出更強(qiáng)大的材料，添加為人所需的功能。其課題組還在這種仿生北極熊毛中加入“碳納米管”，制造出電加熱織物。

在5伏的電壓下，電加熱織物的溫度可以在一分鐘內(nèi)從24攝氏度升高至36攝氏度，使這種多功能可穿戴織物既可以實現(xiàn)被動隔熱，也可以實現(xiàn)主動快速生熱，可以做成用于戶外的便攜式電熱毯。

未來，山寨北極熊毛也許還可用于生產(chǎn)軍用服裝。野外作戰(zhàn)的士兵，穿上用這種“熱隱身衣”，可成功躲過紅外設(shè)備探測。