仿生“北极熊毛衣”及其微观结构。浙江大学供图
受极地居民北极熊的“大厚毛衣”启发，浙江大学教授柏浩和副教授高微微悟出了一种新策略。他们通过模仿北极熊毛的“核-壳”结构，制备出一种封装了气凝胶的超保暖人造纤维。相关论文12月22日发表于《科学》。
“它具有传统保温材料隔热功能，并能‘封锁’人体向外辐射的红外线。相较传统材料，它的耐拉伸等力学性能大大提升，可直接机织，真正实现把气凝胶穿在身上。”论文通讯作者柏浩表示，不久的将来，人们有望只穿一件薄薄的衬衫，就能像北极熊一样不畏严寒。
从北极熊身上得到的启示
北极熊天生一身超强保暖“毛衣” ，使其能适应零下40摄氏度的环境。北极熊的毛是中空结构，里面封装了大量“静止”的空气，通过抑制热传导和热对流减少热量的流失。如今许多保暖衣物的设计运用了这一原理，比如衣物采用的羊毛、羽绒都有抑制热传导和热对流的作用。
为了让衣物在保暖的同时更加轻薄，人们自然想到了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。
在这样的背景下，2018年，柏浩课题组做出了第一代“北极熊毛衣”。但现有的几种方案不能同时实现保暖、轻薄和耐用。
带着新的挑战，柏浩课题组再次翻开了他们的“教科书”——北极熊毛。果然，他们注意到一个被忽略的细节：北极熊的毛不仅是中空的，而且还有一层壳！在电子显微镜下，这层壳大概有20微米厚，占毛发直径的近1/4。正是这个发现，启发团队研制“北极熊毛2.0”。
“锁”住红外辐射
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。”
可直接纺织面料
“良好的综合性能是仿生纤维应用的关键。纤维织物相对于静态绝热的要求更为苛刻，还需解决耐拉、耐压、耐洗、减薄等一系列问题。”柏浩说。
团队为纤维设计了一种TPU外壳。在实验中，拥有外壳的新型纤维能被拉伸到自身长度的两倍而不断裂，很好地满足了衣物纤维的抗拉伸需求。经测试，从实验室连续宏量制备出来的仿生纤维，可以直接在商用纺织机上编织成面料。
“外壳就像骨架一样，为纤维提供了良好的力学支撑，使其耐磨、耐拉伸、耐水洗。”柏浩说。
但壳并不是越强越好。吴明瑞介绍，过厚的壳会影响纤维的保暖性能，因此，团队选取了一个最优值，兼顾材料的保暖性能和力学性能。
“北极熊毛让我们看到了大自然是如何通过‘解耦’设计解决问题的。核与壳各司其职，缺一不可，共同成就了自然界最抗寒的材料之一。”柏浩说，“新型可编织气凝胶纤维，正是遵循这一思路设计而成的。”
审稿人在与团队讨论论文措辞时，提议“不妨说人造北极熊毛‘超越’了天然北极熊毛”，但在柏浩看来，“超越”一词并不一定合适。
“仿生的本质是向大自然学习如何解决问题，仿生是一个无止境的学习过程，现在说‘超越’为时过早。新问题会促使我们继续向大自然学习，不断揭示大自然的秘密、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，也是我们多年来的追求。”柏浩说。
相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.adj8013
《中国科学报》 (2023-12-22 第1版 要闻)
