[科普中国]-用多孔仿生纤维 织就一款北极熊“毛衣”

生活在极地世界的北极熊是最不怕冷动物之一，原因自然是北极熊自带一身最抗寒的“皮草”。近日，浙江大学化学工程与生物工程学院柏浩教授团队用独特的“冻纺”术纺出人造纤维，其隔热性能可与北极熊的毛发媲美。该研究成果的论文《仿北极熊毛的隔热织物》在《先进材料》发表后，《自然》《新科学家》和美国化学会等进行了陆续报道。多孔毛发“锁住”北极熊体温众所周知，北极熊一身轻盈油亮的毛发能够将热量紧紧地锁在体表内，为其创造温暖舒适的微环境。每根北极熊的毛大约15厘米长，直径和人的头发差不多粗细。但放在电镜下观察会发现，其毛发有一根中空而半透明的小孔，小孔周围还有许多更为狭长的小孔，也沿着同一方向伸展。柏浩告诉记者，毛发中的小孔内“封装”着空气，空气静止了，热对流就无法产生，从而减少了热量的流失。北极熊的毛几乎不泄露热量，即使用红外相机拍摄，也无法探测到热量。于是，柏浩思考，能不能做出一件北极熊的“毛衣”来，帮助人类抵抗严寒呢？“冻纺”术造就低成本“热隐身”纤维经过一年多尝试，团队开发出一种“冻纺”术，用天然的蚕丝蛋白纺成纤维，其结构与隔热功能都可与北极熊的毛媲美。在实验室内，记者看到了一台正在工作的“纺纱机”：浓度为5%的蚕丝蛋白水溶液，被注射穿过一个冰冷的铜环，水溶液中的水遇冷凝成冰晶，溶液被重新“塑形”成纤维。这些纤维经过冷冻干燥，冰晶蒸发了，便留下一条条由蚕丝蛋白组成的纤维“仿制毛”。在电镜下“仿制毛”内部层层有序地分布着狭长小孔。“多孔材料质地往往较脆，而这种层层有序的分布，赋予了材料一定的强度。”柏浩表示，这是材料实现纺织和穿戴的必要条件。团队将人造纤维织成一块布，并通过实验证明，在-10℃到40℃的环境中，小兔子体表温度被锁在了人造纤维的衣服内，从而实现了完美“热隐身”。课题组还通过对比发现，在导热率方面，天然北极熊毛的为27，仿生纤维的最低为19。而导热率越低，代表隔热性能越好。仿生终极目标超越自然材料这一仿生隔热纤维的诞生，也展示了美好的应用前景：未来的冬天，我们或许可告别厚重的外套，披一件薄如蝉翼的“毛衣”便可出门；野外作战的士兵，在“热隐身衣”的保护下，可成功躲过红外探测……“在隔热功能上仿生北极熊，这只是我们研究的第一步。”柏浩说，仿生的终极目的，并不是制造出和自然一模一样的产品，而是研发设计功能更为强大的材料。（编辑：p_vmeilingpan）