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据国际期刊《先进材料》（Advanced Materials）报道，浙江大学研究人员受到北极熊毛微观结构和隔热功能的启发，利用“冷冻纺丝”技术，将丝素蛋白溶液制成具有多孔微结构的“智能仿生纤维”。用这种纤维编织的纺织品具有优异的保温性，保暖性能甚至比北极熊毛更强，同时还具有良好的透气性和耐磨性，这是其他纺织方法难以实现的。除了被动隔热，当这种纤维掺入碳纳米管时，还可实现电加热功能。更令人意想不到的是，穿上这种纤维做的服装后，用户在红外热成像设备上可完美实现“热隐身”，这在军事领域应会有用武之地。这是怎么回事呢？ 北极熊能在零下几十度的极地世界成为一方“诸侯”，那一身轻盈油亮的毛发功不可没。 北极熊毛发启发隐形织物开发现实中，没有人能像魔法师哈利·波特那样拥有隐形斗篷，但科技界并不乏“隐形”技术。美国化学会构想了这么一幅生动的画面：有一只小兔子，能偷萝卜、偷蔬菜，它作为一只温血动物，却完美躲过红外相机的监视……原来，这要归功于它穿着浙江大学化学工程与生物工程学院柏浩教授团队研发的“山寨北极熊毛”。 作为一名仿生智能材料专家，柏浩教授曾带领团队深入研究蜘蛛丝和仙人掌的集水问题，发现它们能够从润湿的空气中高效捕获和收集水。这一特性得益于二者表面特殊的微结构，能够驱动尺度很小的微量液体。其团队利用多种物理、化学方法制造出了具有类似蜘蛛丝表面结构的仿生高分子纤维材料，可定向驱动和收集微小液滴。据了解，这种材料在淡水收集、气凝胶过滤、生物检测、智能催化等领域都有极大的潜在应用价值。 有一次，柏浩在观看北极熊相关纪录片时就思考：北极熊为什么不怕冷，能在极寒的北极闲庭信步？其实它轻盈油亮的“皮草”功不可没。那一身毛发能将热量紧紧锁在体内，隔绝了与外界的热量交换，从而帮助它们抗寒。自那以后，柏浩开始琢磨如何做出一件可媲美北极熊毛的“毛衣”。 静止空气越多越保暖要了解北极熊毛的功能，不妨先了解下“保暖”的原理——阻止热量流失。人体自身是一个发热恒温体，这些热量如果释放较少或较慢，人就会感到温暖。热量通过热传导、热对流、热辐射3种方式来传递。举几个生活中的例子，冬天手里捧个热水袋觉得热乎，就是传导；刮西北风导致气温下降，就是对流；晒太阳觉得热，就是辐射。 热量传递必须有物质来当媒介，才能将热量从高温处传给低温处。不同材料的导热性各不相同，一般用“导热系数”表示，导热系数越高即散热性越好，比如金属的导热系数普遍比木材高。相反，导热系数越低，材料的保暖性越好。 比如羊毛的导热系数是0.052瓦/（米·摄氏度），比起导热系数0.071瓦/（米·摄氏度）的棉，以及导热系数0.055瓦/（米·摄氏度）的蚕丝都低，所以羊毛的保暖程度比棉花和蚕丝都要好。一般认为导热系数不超过0.175瓦/（米·摄氏度）的材料就属于“绝热材料”。不过，静止、干燥的空气导热系数更小，只有0.026瓦/（米·摄氏度），这也意味着空气的保暖性最好。当然，外界的空气由于是流动的，起不到保温作用。人穿衣服后，衣服和人体之间会形成一层“静止空气”，可阻隔衣服内外的空气对流，减少热量散失。所以衣服的纤维中储存越多的空气，保暖效果就越显著。 电镜照片显示，北极熊毛有一根中空而半透明的小管，小管周围则布满小孔，这些孔隙有助于储存空气。 柏教授的团队研究了北极熊“天然大衣”的微观结构和保温性能，发现每根北极熊毛长约15厘米，直径约200微米。它有一根中空而半透明的小管，小管周围则布满孔径15～20微米左右的小孔，也沿着同一方向伸展。这些小孔封装着空气，由于这些空气导热系数低，又相对静止，使得北极熊的毛几乎不与外界传递热量，可谓一个热绝缘体。如果用红外相机拍摄它们，是看不到“熊形”的。 多孔材料用于保温在生活中并不稀奇，生活中常见的泡沫塑料就是其中一种，所以运冷冻食品和街头卖冰棍的都拿它当容器。不过，想做出世界上独一无二的“山寨北极熊毛”穿在身上，除了微观结构要逼真外，对材质、强度、舒适度等方面也有很高的要求。 “冷冻纺丝”技术兼顾强度与保暖柏浩课题组经过一年多的研发，已经找到一种方法，可以相对连续大规模地制造北极熊毛仿生纤维。这种方法被称为“冷冻纺丝”，它将两种技术结合在一起：定向冷冻和溶液纺丝。他们从蚕丝中提取丝素蛋白，溶解于水中，制成含水量达95%的纺丝溶液，再用泵控制的注射器将纺丝溶液慢慢推入冷冻装置——一个低温铜环。此时，溶液中的水受冷结成扁平冰晶，冰晶将蚕丝蛋白挤压到相邻的冰晶中间，再通过冷冻干燥的方法，令冰晶升华，从而留下众多片层孔，这么一来，蚕丝蛋白就被“塑形”成直径约200微米的单丝纤维，外形酷似北极熊的毛。 浙江大学柏浩教授团队用“冷冻纺丝”技术开发出了北极熊毛仿生纤维，保暖效果比北极熊毛还好。 从电子显微镜看这根“仿制毛”的微观结构：纤维内部层层有序地（对齐）分布着许多狭长的小孔。孔隙率高达87％。通常来说，多孔材料的质地会比较脆，然而，柏浩团队这种制造方法使仿制毛的内腔孔洞相对整齐、连续排列，确保了纤维的结构完整性，防止它们变脆，赋予了材料一定的强度。 更可喜的是，“原版”北极熊毛的导热系数为0.027瓦/（米·摄氏度），而这种山寨版的导热系数只有0.019～0.022瓦/（米·摄氏度），保暖性能可谓“青出于蓝而胜于蓝”。 调整水状混合物的粘度和调节铜环的温度等不同条件之后，研究团队发现在零下100摄氏度下运行该过程，产生直径约30微米的孔，能使仿生纤维的强度和隔热性能达到完美平衡状态。法国陶瓷合成和功能化实验室的研究主任西尔凡·德维尔（Sylvain Deville），也用这种“冰模法”制造过多孔纤维。但他坦言，柏浩团队对于纤维强度和保温性的兼顾确实做得更好。 未来“毛衣”或薄如蝉翼为测试这种纤维的保温性，柏浩的学生崔滢穿针引线，将这种人造纤维织成一块布，其蚕丝蛋白含量相当于两颗蚕茧。随后，他们找来一只小白兔当模特，试穿这种材料。在零下10摄氏度到40摄氏度的环境温度中，研究人员用红外相机给小兔子拍照。无论背景温度是40摄氏度，15摄氏度还是零下10摄氏度，照片上，小兔子头部的轮廓都清晰可见，而穿着“毛衣”的身躯却看不见，完美实现“隐身”。原来，小兔子体表的温度被“毛衣”锁定，红外相机因捕捉不到向外散发的热量而无法成像。这种纤维织物能保持兔子的体温不变，还让它保持舒适。 小兔子穿北极熊毛仿生纤维毛衣（上）和穿聚酯纤维实验服，在红外线相机下的成像比对。 据了解，这种人造纤维的优异保温性能其实依靠的是热传导、热对流和热辐射3种途径的共同作用：大量孔道使纤维内部能够容纳很多空气，而空气的导热系数非常小，大大降低了机体与外界的热传导；复杂的孔道结构使得空气流动受限，减少了热对流；多层孔壁结构还能反射外界的热辐射，避免外界热量进入，可实现“冬不冷、夏不热”的效果。 虽然它并非真正的隐形斗篷，但这种生产“红外隐形毛衣”的方法或许可以用于冬季装备的生产。如果可以大规模量产，那对于抗寒保暖而言无疑是革命性的。有了这样性能“逆天”的材料做衣服，未来的冬天，我们就可以告别厚重的大衣，披一件薄如蝉翼的“毛衣”便可出门，听着是不是就很激动？ 小兔子穿着北极熊毛仿生纤维，在-10℃至40℃的环境中，头部轮廓清晰可见，而身躯实现“热隐身”。 被动隔热+主动生热柏浩教授表示，在隔热保温功能上仿生北极熊毛只是研究的第一步。仿生的终极目的，并非机械地制造出和大自然一模一样的产品，而是在大自然的启发下，开发出更强大的材料，添加为人所需的功能。其课题组还在这种仿生北极熊毛中加入“碳纳米管”，制造出电加热织物。 浙江大学研究人员研发的“仿制毛”，纤维内部层层有序地分布着许多狭长的小孔。 在5伏的电压下，电加热织物的温度可以在一分钟内从24摄氏度升高至36摄氏度，使这种多功能可穿戴织物既可以实现被动隔热，也可以实现主动快速生热，可以做成用于户外的便携式电热毯。 未来，山寨北极熊毛也许还可用于生产军用服装。野外作战的士兵，穿上用这种 “热隐身衣”，可成功躲过红外设备探测。 本刊原创，转载请联系《环境与生活》杂志。 |
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