化學(xué)工程與生物工程學(xué)院柏浩教授和高分子科學(xué)與工程學(xué)系高微微副教授學(xué)到了一種新策略，他們模仿北極熊毛的“核-殼”結(jié)構(gòu)制備出一種封裝了氣凝膠的超保暖人造纖維，它不但有傳統(tǒng)保溫材料的隔熱功能，還能“封鎖”人體向外輻射的紅外線，耐拉伸等力學(xué)性能也大大提升，可直接機(jī)織，能真正實(shí)現(xiàn)把氣凝膠“穿”在身上，成果發(fā)表于《科學(xué)》。
完美保暖衣尚未出現(xiàn)
對(duì)于抗寒保暖這件事，北極熊是一本行走的“教科書”。一身超強(qiáng)保暖的“毛衣”，讓他們能適應(yīng)零下40℃的環(huán)境。北極熊的毛是中空結(jié)構(gòu)，里面封裝了大量“靜止”的空氣，通過(guò)抑制熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流減少熱量的流失。保暖衣物的設(shè)計(jì)也是運(yùn)用了這一原理。比如羊毛、羽絨都有抑制熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的作用。
圖：北極熊毛在光學(xué)顯微鏡下的照片
為了追求在保暖的同時(shí)更加輕薄，人們自然想到要用更少的材料封裝更多空氣。孔隙率極高、密度比空氣還小的氣凝膠（空氣占總體積90%以上）是一種理想選擇。在過(guò)去的幾十年中，人們?cè)噲D將氣凝膠“涂裝”在織物的表面，或者直接“紡”出含有氣凝膠的纖維。然而，由于氣凝膠涂層容易脫落；或者材料的氣凝膠含量有限，耐磨、抗拉伸等力學(xué)性能不佳等問(wèn)題，下一代保暖衣物的性能似乎很難再有提升空間。
圖：2018年做出的北極熊毛衣是用鑷子編織的
2018年，柏浩課題組做出了第一代“北極熊毛衣”，引起了包括Nature雜志在內(nèi)的學(xué)術(shù)期刊和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。輕薄的多孔纖維具有良好的隔熱性能，然而其軸向抗拉伸性還不夠理想，為了給做實(shí)驗(yàn)的小白兔裹上一層“北極熊毛衣”，研究生拿鑷子小心翼翼才好不容易編出了一片“蓋毯”。 “現(xiàn)有的幾種方案不能同時(shí)解決保暖、輕薄和耐用的問(wèn)題。”帶著新的挑戰(zhàn)，柏浩課題組又翻開了他們的“教科書”——北極熊毛。果然，他們注意到過(guò)去一個(gè)被忽略的細(xì)節(jié)：北極熊的毛不僅是中空的，而且還有一層殼！在電子顯微鏡下，這層殼大概有20微米厚，占了毛發(fā)直徑的近四分之一。正是這個(gè)發(fā)現(xiàn)，啟發(fā)了團(tuán)隊(duì)對(duì)于“北極熊毛2.0”的研制。先后有多名博士生、碩士生參與了這一項(xiàng)工作。
左圖為北極熊毛的微觀結(jié)構(gòu)；右圖為仿生北極熊毛的微觀結(jié)構(gòu)
借鑒北極熊毛的 “核-殼”結(jié)構(gòu)，歷時(shí)近6年，團(tuán)隊(duì)做出了一種新型纖維：纖維的中心是高分子氣凝膠，其內(nèi)部分布著直徑大約為10-30 微米的纖長(zhǎng)的小孔，它們朝著同一個(gè)方向排列，像一個(gè)個(gè)存儲(chǔ)空氣的“倉(cāng)庫(kù)”；同時(shí)，一層TPU（熱塑性聚氨酯彈性體）外殼將內(nèi)部的氣凝膠包裹起來(lái)。一核一殼，它們各有功用。
先來(lái)說(shuō)“核”，它負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)保暖?！氨Ｅ瘡囊欢ǔ潭壬现v就是防止熱量的流失?！闭撐牡谝蛔髡?，博士生吳明瑞介紹，人體散熱的主要形式包括熱輻射、熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)和汗液蒸發(fā)等，其中熱輻射的影響最大（占比40-60%），熱量以紅外輻射的形式流失。然而，現(xiàn)有的保溫衣物在調(diào)控?zé)彷椛浞矫尕暙I(xiàn)有限。一些傳統(tǒng)的具有無(wú)序納米孔結(jié)構(gòu)的材料，由于孔徑尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于紅外線的波長(zhǎng)，它們對(duì)于紅外線來(lái)說(shuō)幾乎是“透明”的，阻擋不了紅外輻射。
圖：仿生氣凝膠纖維核層可以鎖住大量靜止空氣，從而阻隔熱傳導(dǎo)、限制熱對(duì)流。更重要的是，取向片層孔結(jié)構(gòu)提供了大量的氣-固界面，對(duì)人體發(fā)出的紅外輻射進(jìn)行多級(jí)反射，實(shí)現(xiàn)更加高效的保暖
研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，通過(guò)調(diào)控纖維內(nèi)部小孔的方向與尺寸，有望“鎖住”紅外輻射?！凹t外線是從體表皮膚向外輻射，讓小孔的取向與輻射方向垂直，同時(shí)調(diào)整尺寸，就有望匹配紅外線的波長(zhǎng)，從而達(dá)到鎖住紅外輻射的目的?！眳敲魅鹫f(shuō)。
圖：各種衣物面料的保暖“挑戰(zhàn)賽”
為了驗(yàn)證保暖效果，研究人員把學(xué)校食堂零下20攝氏度的恒溫冷庫(kù)變成了臨時(shí)“試衣間”，在這里舉辦了一次“保暖挑戰(zhàn)賽”。論文共同作者博士生張子倍同學(xué)擔(dān)任模特，分別試穿初始溫度相同的羽絨衣、羊毛毛衣、棉毛衫和“北極熊毛衣”，并記錄衣物表面溫度的上升情況。幾分鐘后，棉毛衫的表面上升到了10.8℃，羽絨衣的表面溫度上升到了3.8℃。而厚度和羊毛毛衣接近，僅為羽絨衣三分之一到五分之一左右的“北極熊毛衣”表面僅上升到3.5℃——升溫越少代表人體熱量流失越少，“北極熊毛2.0”完勝了其他“對(duì)手”?！坝捎谟鸾q對(duì)于紅外線的抑制效果差，所以要靠增加數(shù)倍的厚度才能達(dá)到同樣的保暖效果。”吳明瑞說(shuō)。
“新型氣凝膠纖維能夠?qū)彷椛?、熱?duì)流、熱傳導(dǎo)多管齊下，保暖性能因此前進(jìn)了一大步?！备呶⑽⒄f(shuō)?！澳壳八械慕^熱材料都是靠封裝盡量多的空氣或者真空來(lái)抑制熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流。我們的纖維具有有序的孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)抑制了熱輻射。這也是北極熊毛跟普通中空纖維的差別，也是我們從北極熊身上得到的重要啟示。”
抗拉伸，耐水洗，可直接上紡織機(jī)
再來(lái)說(shuō)“殼”，它負(fù)責(zé)強(qiáng)韌耐用?！巴鈿ぞ拖窆羌芤粯樱瑸槔w維提供了良好的力學(xué)支撐，使其耐磨、耐拉伸、耐水洗。”柏浩說(shuō)，這是團(tuán)隊(duì)做出第一代仿生北極熊毛以來(lái)最為關(guān)注的挑戰(zhàn)，“良好的綜合性能是仿生纖維實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的關(guān)鍵。纖維織物相對(duì)于靜態(tài)絕熱（如保鮮盒）的要求更為苛刻，還需解決耐拉耐壓，耐洗，減薄等一系列問(wèn)題?！?/span>
圖：仿生北極熊毛纖維拉伸測(cè)試
團(tuán)隊(duì)為纖維設(shè)計(jì)了一種TPU外殼，一種常見的彈性材料。在實(shí)驗(yàn)中，新型纖維能被拉伸到自身長(zhǎng)度的兩倍而不斷裂，很好地滿足了衣物纖維的抗拉伸需求。經(jīng)測(cè)試，從實(shí)驗(yàn)室連續(xù)宏量制備出來(lái)的仿生纖維，可以直接在商用紡織機(jī)上編織成面料。“當(dāng)然殼并不是越強(qiáng)越好，”吳明瑞介紹，過(guò)厚的殼會(huì)影響纖維的保暖性能，因此，團(tuán)隊(duì)選取了一個(gè)最優(yōu)值，兼顧了材料的保暖性能和力學(xué)性能。
“北極熊毛讓我們看到了大自然是如何通過(guò)‘解耦’設(shè)計(jì)來(lái)解決問(wèn)題的。核與殼各司其職，缺一不可，共同成就了自然界最抗寒的材料之一?！卑睾普f(shuō)，“新型的可編織氣凝膠纖維的設(shè)計(jì)，正是遵循這一思路?！?在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)還對(duì)仿生北極熊毛的其他應(yīng)用能力進(jìn)行了考驗(yàn)。比如防水，新型纖維是耐水洗的，洗了之后不會(huì)縮水，也不會(huì)影響其保暖性能。此外，還能輕松地對(duì)仿生北極熊毛進(jìn)行著色。
圖：新型纖維耐水洗，洗后不會(huì)縮水，保暖效果依舊。
審稿人在與團(tuán)隊(duì)討論論文的措辭時(shí)，提議“不妨說(shuō)人造北極熊毛‘超越’了天然北極熊毛”，柏浩認(rèn)為，“超越”一詞并不一定合適?！?/span>仿生的本質(zhì)是向大自然學(xué)習(xí)如何解決問(wèn)題，并不意味著我們已經(jīng)完全理解了大自然。仿生是一個(gè)無(wú)止境的學(xué)習(xí)過(guò)程，即使是一根北極熊毛，里面肯定還有我們未知的智慧，所以說(shuō)‘超越’還為時(shí)過(guò)早。當(dāng)我們遇到新的問(wèn)題，會(huì)促使我們繼續(xù)向大自然學(xué)習(xí)，大自然也總能給我們以珍貴的啟示。通過(guò)見人所常見，思人所未思，不斷揭示大自然的秘密，發(fā)現(xiàn)新知識(shí)，創(chuàng)造改善人們生活的新材料是仿生研究的使命，也是我們多年來(lái)堅(jiān)持的追求?！卑睾普f(shuō)。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj8013
