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浙大柏浩教授:研发人造纤维 抗寒堪比北极熊毛
特斯拉 2018-02-27
导语

柏浩团队制备的仿生纤维,导热率最低只有19。

中国新年初五,一只身披北极熊马甲的小兔子,在材料科学领域的国际领先学术杂志《先进材料》上亮相,马上获得《自然》、《新科学家》等多本杂志的报道。

图:穿“北极熊马甲”的兔子(身长10~20厘米)

这件马甲,是浙江大学化学工程与生物工程学院柏浩教授团队的最新科研成果——它模仿北极熊毛发结构,是一种有序多孔的高效隔热保温织物;同时,披上这种“战袍”的生物体,能在红外线成像设备中实现热隐身。

▍北极熊,香蕉熊

柏浩的创意,是从北极熊的纪录片里得来的:生活在北极的北极熊,靠穿着一身“貂”,与极寒抵抗。

其实,北极熊与棕熊是同门,有共同的祖先,而它实际是一只“香蕉熊”——纯白色,只是熊毛的颜色,熊毛下遍布全身的皮其实是黑色的。

完全罩住北极熊的稠密白毛,能高效地将熊身上的热量与户外的冰天雪地隔离开来,奥秘在于每一根北极熊毛的微小结构。

钱报记者在柏浩的实验室,亲手摸到了北极熊的毛。每一根直径100微米的(1毫米=1000微米)北极熊毛,手感近似人类发质粗密的头发。

如果剖开一根北极熊毛的横截面,在电子显微镜下,它呈现出来的是一个微型建筑物:

图:显微镜下的北极熊毛(左)和浙大的仿生有序多孔纤维(右)

北极熊的毛相当于一根管道,里面充满了多个孔洞。这种结构对光线里面的红外线,有非常好的反射作用。同时,在寒冷的天气里面,它能够封存住大量的空气,高效地储存热量。

▍保暖衣,隐身衣

如果我们能够制作出北极熊毛类似的仿生材料,那么人类也将具备极限环境中的抗寒能力。

柏浩课题组研发出一种冷冻纺丝技术。他们将蚕丝溶解于水中,制成含水量达95%的纺丝溶液;再用注射器将纺丝溶液慢慢挤入冷冻装置,形成直径约为200微米的单丝纤维;最后通过冷冻干燥令纤维中的冰晶升华留下众多有序的片层孔。


这种有序多孔纤维材料,和北极熊的毛一样,具有大量大小均匀的空洞,能够隔绝外部的冷空气。

课题组制作了一根长丝,截成多段后,由柏浩课题组的硕士生崔滢,给身长20厘米的小兔子,织了一件平针马甲。

这就是小兔子最后的造型。

实验显示,在-10℃到40℃的环境中,红外相机几乎观测不到被仿生织物覆盖的生物体的热量,成功实现“隐身”。        


图:小兔子没穿马甲、穿实验服、穿“浙大北极熊马甲”后,在红外线相机下的成像比对。披了北极熊皮的兔子,几乎观测不到被仿生织物覆盖的生物体的热量,成功实现“隐身”。来源《先进材料》

这项实验提示了新型材料的一种潜在用途——隐身衣。在《007》系列电影中,黑夜中的邦德,也没有设备能够避开热感应的监测。如果有一件隔热的北极熊马甲,在没有光线的情况下,人可以做到完全隐身。

▍和鹅比,北极熊衣才是真正的极寒战袍

昨天钱报编辑部的同事围观了这件马甲,提出一个问题。拼保暖,这群找人代购“加拿大鹅”(Canada Goose,国际著名羽绒衣品牌,以时尚和保暖著称 )的女子们问我:

“跟‘鹅’比,科学家的‘北极熊’怎么样?”

首先,从生产角度讲,这种人造材料的制备肯定比饲养鹅要方便、廉价,而且想要织多少就能织多少。”柏浩说,兔子的马甲,原料就是两个蚕茧,物料成本人民币5毛钱不到。

“加拿大鹅”是加拿大原产羽绒衣,鹅有限,产量有控制。这个牌子被华人炒热后,男人女人都要买小号“鹅”,哪里那么多鹅给你们充衣服啦。

因为这种材料95%是空气,大部分是空气,蚕丝只占到5%。“浙大北极熊”价格相当诱人。

柏浩团队计算了一下,如果按照保暖一的织物是由单丝直径1毫米的纤维来织的话,成本大概是3分钱/米。织1平米需要2000米纤维,相当于用1毫米粗的毛线织一件毛衣差不多的量,成本价格大约是40~60元。

图:兔子穿的“北极熊马甲”的一部分,来源《先进材料》

“比保暖系数,我没有研究过羽绒衣的情况,但是可以给你一个科学上的参数比对。”柏浩告诉记者,静止空气的导热率是26(导热率越高,热量传递得越快)。

天然的北极熊毛,导热率是27左右,已经非常接近静止空气的导热率。

柏浩团队制备的仿生纤维,导热率最低只有19。

而且人造的材料,可以添加更多人类所需的功能。”柏浩课题组还将碳纳米管加入这种仿生纤维,制造出电加热织物。

“在5伏的电压下,电加热织物的温度可以在一分钟内从24℃升高至36℃。这种多功能可穿戴织物既可以实现被动隔热,也可以实现主动生热。”

论文的其他作者还有龚华鑫(本科生)、王玉洁(硕士生)、李德文(博士生),该项研究得到了国家自然科学基金和国家“青年千人”计划的资助。

文章链接:

Ying Cui, et al, "A Thermally Insulating Textile Inspired by Polar Bear Hair,"Advanced Materials,DOI:10.1002/adma.201706807

(本文来源:钱江晚报,记者:章咪佳;)

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爬上海岸的鱼[SYNNEX China]

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作者 特斯拉

副研究员

中科院

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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