中国科大以北极熊毛发为灵感仿生制备隔热材料

来源：中国复合材料学会

由脂肪和毛皮构成的保温层，使北极熊在严寒的北极得以生存。在工程师眼中，北极熊的毛发是理想的隔热材料，它可以像天然材料一样锁住热量。如今，中国科学家已经研制出这样一种保温材料，仿照单根北极熊毛发的中空结构，并将其扩展到由许多毛发组成的块体材料上，该项研究可能在未来建筑和航空航天领域得到广泛应用。该成果于6月6日发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊《化学》（Chem）上。 

北极熊毛发的特殊结构帮助它在极寒的北极生存下来，也是仿生材料研究的热门领域。（图：崔劼）

“论文通讯作者、中国科学技术大学化学系教授俞书宏说：“北极熊的毛发经过进化完善，使其具有在寒冷潮湿的环境中保温的效果，这使它成为合成保温材料的理想模型。通过组装人工合成的碳管纤维，我们可以设计出一种具有弹性的轻质材料，这种材料在使用期限内不会明显老化，而且能吸收热量。”   

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与人类或其他哺乳动物的毛发不同，北极熊的毛发是中空的。在显微镜下放大后，每一根毛发都存在空腔结构。这些空腔的形状和间距形成了它们独特的白色外壳（实际上北极熊的毛是透明的，光在内部发生反射 ，引起发光，看起来像白色）。同时，这也赋予了它们显著的保温性和疏水性，适宜人工隔热材料效仿。       

“中空的内核限制了热对流，中空结构同样也使单根毛发变得轻质，这是材料科学中最突出的优势之一，”中国科技大学副教授刘建伟说。为了模拟这种结构，他们与中国科技大学近代力学系倪勇教授团队合作，模拟数百万根中空碳管，每根碳管相当于一根北极熊毛发，并将它们缠绕成像通心粉一样的气凝胶。   

与其他气凝胶和保温材料相比，他们发现受北极熊毛发启发仿生制备的空心管表现出轻质、隔热，也几乎不受水的影响——这是一个使北极熊既能在游泳时保持温暖，又能在潮湿条件下保持绝缘性的便利功能。另一个好处是，这种新材料与北极熊的毛发相比具有超弹性，这就进一步提高了其在工程方面的适用性。     

研究人员聚焦于这种材料的相关工业用途，下一步准备将目前这种保温材料的生产从厘米尺度扩大到米级尺度。俞教授表示，“由于实验室设备的限制，我们合成的碳管材料目前尚未能宏量制备，但我们预期将能够实现该材料的量产，并探索其在航空航天领域等极端条件下的应用”。 

课题组模仿北极熊毛发制备的空心结构碳管。其构筑的碳管气凝胶能制成超弹性隔热材料。

图片版权：詹慧娟

文章来源：合肥微尺度物质科学国家研究中心、化学与材料科学学院、中国科学院纳米科学卓越创新中心、苏州纳米科技协同创新中心、科研部

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