又到隆冬季節(jié)，你的衣服夠暖和嗎？從極地“居民”北極熊身上，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)系高微微副教授學(xué)到了一種新策略，他們模仿北極熊毛的“核-殼”結(jié)構(gòu)制備出一種封裝了氣凝膠的超保暖人造纖維，它不但有傳統(tǒng)保溫材料的隔熱功能，還能“封鎖”人體向外輻射的紅外線，耐拉伸等力學(xué)性能也大大提升，可直接機(jī)織，能真正實(shí)現(xiàn)把氣凝膠穿在身上。

不久的將來，我們有望擺脫臃腫的羽絨服，像北極熊一樣不畏嚴(yán)寒。2023年12月22日，相關(guān)論文Biomimetic, knittable aerogel fiber for thermal insulation textile發(fā)表于Science雜志。

完美保暖衣尚未出現(xiàn)

對(duì)于抗寒保暖這件事，北極熊是一本行走的“教科書”。一身超強(qiáng)保暖的“毛衣” ，讓他們能適應(yīng)零下40℃的環(huán)境。北極熊的毛是中空結(jié)構(gòu)，里面封裝了大量“靜止”的空氣，通過抑制熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流減少熱量的流失。保暖衣物的設(shè)計(jì)也是運(yùn)用了這一原理。比如羊毛、羽絨都有抑制熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的作用。為了追求在保暖的同時(shí)更加輕薄，人們自然想到要用更少的材料封裝更多空氣。孔隙率極高、密度比空氣還小的氣凝膠（空氣占總體積90%以上）是一種理想選擇。在過去的幾十年中，人們?cè)噲D將氣凝膠“涂裝”在織物的表面，或者直接“紡”出含有氣凝膠的纖維。然而，由于氣凝膠涂層容易脫落；或者材料的氣凝膠含量有限，耐磨、抗拉伸等力學(xué)性能不佳等問題，下一代保暖衣物的性能似乎很難再有提升空間。

2018年，柏浩課題組做出了第一代“北極熊毛衣”，引起了包括Nature雜志在內(nèi)的學(xué)術(shù)期刊和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。輕薄的多孔纖維具有良好的隔熱性能，然而其軸向抗拉伸性還不夠理想，為了給做實(shí)驗(yàn)的小白兔裹上一層“北極熊毛衣”，研究生拿鑷子小心翼翼才好不容易編出了一片“蓋毯”。

“現(xiàn)有的幾種方案不能同時(shí)解決保暖、輕薄和耐用的問題。”帶著新的挑戰(zhàn)，柏浩課題組又翻開了他們的“教科書”——北極熊毛。果然，他們注意到過去一個(gè)被忽略的細(xì)節(jié)：北極熊的毛不僅是中空的，而且還有一層殼！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。正是這個(gè)發(fā)現(xiàn)，啟發(fā)了團(tuán)隊(duì)對(duì)于“北極熊毛2.0”的研制。先后有多名博士生、碩士生參與了這一項(xiàng)工作。 

超強(qiáng)保暖：“鎖”住紅外輻射

借鑒北極熊毛的 “核-殼”結(jié)構(gòu)，歷時(shí)近6年，團(tuán)隊(duì)做出了一種新型纖維：纖維的中心是高分子氣凝膠，其內(nèi)部分布著直徑大約為10-30 微米的纖長的小孔，它們朝著同一個(gè)方向排列，像一個(gè)個(gè)存儲(chǔ)空氣的“倉庫”；同時(shí)，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，它們各有功用。

先來說“核”，它負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)保暖。“保暖從一定程度上講就是防止熱量的流失。”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(duì)流、熱傳導(dǎo)和汗液蒸發(fā)等，其中熱輻射的影響最大（占比40-60%），熱量以紅外輻射的形式流失。然而，現(xiàn)有的保溫衣物在調(diào)控?zé)彷椛浞矫尕暙I(xiàn)有限。一些傳統(tǒng)的具有無序納米孔結(jié)構(gòu)的材料，由于孔徑尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于紅外線的波長，它們對(duì)于紅外線來說幾乎是“透明”的，阻擋不了紅外輻射。

仿生氣凝膠纖維核層可以鎖住大量靜止空氣，從而阻隔熱傳導(dǎo)、限制熱對(duì)流。更重要的是，取向片層孔結(jié)構(gòu)提供了大量的氣-固界面，對(duì)人體發(fā)出的紅外輻射進(jìn)行多級(jí)反射，實(shí)現(xiàn)更加高效的保暖

研究團(tuán)隊(duì)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。“紅外線是從體表皮膚向外輻射，讓小孔的取向與輻射方向垂直，同時(shí)調(diào)整尺寸，就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。

各種衣物面料的保暖“挑戰(zhàn)賽”

為了驗(yàn)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(shí)“試衣間”，在這里舉辦了一次“保暖挑戰(zhàn)賽”。論文共同作者博士生張子倍同學(xué)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，棉毛衫的表面上升到了10.8℃，羽絨衣的表面溫度上升到了3.8℃。而厚度和羊毛毛衣接近，僅為羽絨衣三分之一到五分之一左右的“北極熊毛衣”表面僅上升到3.5℃——升溫越少代表人體熱量流失越少，“北極熊毛2.0”完勝了其他“對(duì)手”。“由于羽絨對(duì)于紅外線的抑制效果差，所以要靠增加數(shù)倍的厚度才能達(dá)到同樣的保暖效果。”。吳明瑞說。

“新型氣凝膠纖維能夠?qū)彷椛洹釋?duì)流、熱傳導(dǎo)多管齊下，保暖性能因此前進(jìn)了一大步。”高微微說。“目前所有的絕熱材料都是靠封裝盡量多的空氣或者真空來抑制熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流。我們的纖維具有有序的孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)抑制了熱輻射。這也是北極熊毛跟普通中空纖維的差別，也是我們從北極熊身上得到的重要啟示。”

抗拉伸，耐水洗，可直接上紡織機(jī)

再來說“殼”，它負(fù)責(zé)強(qiáng)韌耐用。“外殼就像骨架一樣，為纖維提供了良好的力學(xué)支撐，使其耐磨、耐拉伸、耐水洗。”柏浩說，這是團(tuán)隊(duì)做出第一代仿生北極熊毛以來最為關(guān)注的挑戰(zhàn)，“良好的綜合性能是仿生纖維實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的關(guān)鍵。纖維織物相對(duì)于靜態(tài)絕熱（如保鮮盒）的要求更為苛刻，還需解決耐拉耐壓，耐洗，減薄等一系列問題。”

團(tuán)隊(duì)為纖維設(shè)計(jì)了一種TPU外殼，一種常見的彈性材料。在實(shí)驗(yàn)中，新型纖維能被拉伸到自身長度的兩倍而不斷裂，很好地滿足了衣物纖維的抗拉伸需求。經(jīng)測(cè)試，從實(shí)驗(yàn)室連續(xù)宏量制備出來的仿生纖維，可以直接在商用紡織機(jī)上編織成面料。“當(dāng)然殼并不是越強(qiáng)越好，”吳明瑞介紹，過厚的殼會(huì)影響纖維的保暖性能，因此，團(tuán)隊(duì)選取了一個(gè)最優(yōu)值，兼顧了材料的保暖性能和力學(xué)性能。

“北極熊毛讓我們看到了大自然是如何通過‘解耦’設(shè)計(jì)來解決問題的。核與殼各司其職，缺一不可，共同成就了自然界最抗寒的材料之一。”柏浩說，“新型的可編織氣凝膠纖維的設(shè)計(jì)，正是遵循這一思路。” 在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)還對(duì)仿生北極熊毛的其他應(yīng)用能力進(jìn)行了考驗(yàn)。比如防水，新型纖維是耐水洗的，洗了之后不會(huì)縮水，也不會(huì)影響其保暖性能。此外，還能輕松地對(duì)仿生北極熊毛進(jìn)行著色。圖片

來源：研之成理