化學工程與生物工程學院柏浩教授和高分子科學與工程學系高微微副教授學到了一種新策略，他們模仿北極熊毛的“核-殼”結構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，耐拉伸等力學性能也大大提升，可直接機織，能真正實現把氣凝膠“穿”在身上，成果發(fā)表于《科學》。

完美保暖衣尚未出現

對于抗寒保暖這件事，北極熊是一本行走的“教科書”。一身超強保暖的“毛衣”，讓他們能適應零下40℃的環(huán)境。北極熊的毛是中空結構，里面封裝了大量“靜止”的空氣，通過抑制熱傳導和熱對流減少熱量的流失。保暖衣物的設計也是運用了這一原理。比如羊毛、羽絨都有抑制熱傳導和熱對流的作用。

圖：北極熊毛在光學顯微鏡下的照片

  為了追求在保暖的同時更加輕薄，人們自然想到要用更少的材料封裝更多空氣?？紫堵蕵O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。在過去的幾十年中，人們試圖將氣凝膠“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、抗拉伸等力學性能不佳等問題，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雜志在內的學術期刊和工業(yè)界的廣泛關注。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，為了給做實驗的小白兔裹上一層“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”。 “現有的幾種方案不能同時解決保暖、輕薄和耐用的問題。”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，他們注意到過去一個被忽略的細節(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。正是這個發(fā)現，啟發(fā)了團隊對于“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工作。  

左圖為北極熊毛的微觀結構；右圖為仿生北極熊毛的微觀結構

借鑒北極熊毛的 “核-殼”結構，歷時近6年，團隊做出了一種新型纖維：纖維的中心是高分子氣凝膠，其內部分布著直徑大約為10-30 微米的纖長的小孔，它們朝著同一個方向排列，像一個個存儲空氣的“倉庫”；同時，一層TPU（熱塑性聚氨酯彈性體）外殼將內部的氣凝膠包裹起來。一核一殼，它們各有功用。

先來說“核”，它負責實現超強保暖?！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、熱對流、熱傳導和汗液蒸發(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，現有的保溫衣物在調控熱輻射方面貢獻有限。一些傳統的具有無序納米孔結構的材料，由于孔徑尺寸遠遠小于紅外線的波長，它們對于紅外線來說幾乎是“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、限制熱對流。更重要的是，取向片層孔結構提供了大量的氣-固界面，對人體發(fā)出的紅外輻射進行多級反射，實現更加高效的保暖

研究團隊認為，通過調控纖維內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，同時調整尺寸，就有望匹配紅外線的波長，從而達到鎖住紅外輻射的目的?！眳敲魅鹫f。

圖：各種衣物面料的保暖“挑戰(zhàn)賽”

為了驗證保暖效果，研究人員把學校食堂零下20攝氏度的恒溫冷庫變成了臨時“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擔任模特，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“對手”?！坝捎谟鸾q對于紅外線的抑制效果差，所以要靠增加數倍的厚度才能達到同樣的保暖效果?！眳敲魅鹫f。

“新型氣凝膠纖維能夠對熱輻射、熱對流、熱傳導多管齊下，保暖性能因此前進了一大步。”高微微說?！澳壳八械慕^熱材料都是靠封裝盡量多的空氣或者真空來抑制熱傳導和熱對流。我們的纖維具有有序的孔結構，同時抑制了熱輻射。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?！?/span>

抗拉伸，耐水洗，可直接上紡織機  

再來說“殼”，它負責強韌耐用。“外殼就像骨架一樣，為纖維提供了良好的力學支撐，使其耐磨、耐拉伸、耐水洗。”柏浩說，這是團隊做出第一代仿生北極熊毛以來最為關注的挑戰(zhàn)，“良好的綜合性能是仿生纖維實現應用的關鍵。纖維織物相對于靜態(tài)絕熱（如保鮮盒）的要求更為苛刻，還需解決耐拉耐壓，耐洗，減薄等一系列問題?！?/span>

圖：仿生北極熊毛纖維拉伸測試

 團隊為纖維設計了一種TPU外殼，一種常見的彈性材料。在實驗中，新型纖維能被拉伸到自身長度的兩倍而不斷裂，很好地滿足了衣物纖維的抗拉伸需求。經測試，從實驗室連續(xù)宏量制備出來的仿生纖維，可以直接在商用紡織機上編織成面料。“當然殼并不是越強越好，”吳明瑞介紹，過厚的殼會影響纖維的保暖性能，因此，團隊選取了一個最優(yōu)值，兼顧了材料的保暖性能和力學性能。

“北極熊毛讓我們看到了大自然是如何通過‘解耦’設計來解決問題的。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，“新型的可編織氣凝膠纖維的設計，正是遵循這一思路?！?在后續(xù)實驗中，團隊還對仿生北極熊毛的其他應用能力進行了考驗。比如防水，新型纖維是耐水洗的，洗了之后不會縮水，也不會影響其保暖性能。此外，還能輕松地對仿生北極熊毛進行著色。

圖：新型纖維耐水洗，洗后不會縮水，保暖效果依舊。

審稿人在與團隊討論論文的措辭時，提議“不妨說人造北極熊毛‘超越’了天然北極熊毛”，柏浩認為，“超越”一詞并不一定合適。“仿生的本質是向大自然學習如何解決問題，并不意味著我們已經完全理解了大自然。仿生是一個無止境的學習過程，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‘超越’還為時過早。當我們遇到新的問題，會促使我們繼續(xù)向大自然學習，大自然也總能給我們以珍貴的啟示。通過見人所常見，思人所未思，不斷揭示大自然的秘密，發(fā)現新知識，創(chuàng)造改善人們生活的新材料是仿生研究的使命，也是我們多年來堅持的追求?！卑睾普f。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj8013