在寒潮天氣裡，厚重的羽絨服與毛衣成了我們出門的必備衣着。然而，受極地居民北極熊的“大厚毛衣”啟發，浙江大學教授柏浩和副教授高微微最近悟出了一種新政策。他們通過模仿北極熊毛的“核-殼”結構，制備出一種封裝了氣凝膠的超保暖人造纖維。相關論文2023年12月22日發表于《科學》。
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” ，讓他們能适應零下40℃的環境。其實，無論是我們穿的羽絨服，還是北極熊的毛，本質上都是利用空氣來保暖。這些材料都含有大量孔隙結構，其中封裝的“靜止”空氣可以抑制熱傳導和熱對流，進而減少熱量流失。是以，如果材料孔隙率越高、同時密度越小，就有可能為我們造出保暖效率更高的衣物。而兼具以上兩點優勢的氣凝膠，就成了開發新型保暖衣物的理想候選材料。
然而，這類材料在保暖織物中的應用卻受到了很大的限制。究其原因，一件合格的衣服不僅需要保暖、輕薄，還需要耐拉伸、耐洗滌等特性。不幸的是，氣凝膠并不符合。無論是将氣凝膠“塗”在織物的表面，還是直接“紡”出含有氣凝膠的纖維，氣凝膠都存在一系列缺陷，例如：作為塗層容易脫落，材料的氣凝膠含量有限，缺乏編成紡織品所需的強度和韌性，材料無法機洗，在潮濕環境中容易失去保溫能力……這些問題意味着，開發可編織的氣凝膠材料仍然是一個挑戰。
2018年，柏浩課題組就模拟北極熊毛的微觀結構，開發“冷凍紡絲”技術将蠶絲蛋白紡織成結構與北極熊毛相近、導熱系數更低的第一代“北極熊毛衣”。柏浩課題組的發明引起了包括《自然》雜志在内的學術期刊和工業界的廣泛關注。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”，研究所學生拿鑷子小心翼翼才好不容易編出了一片“蓋毯”。
2018年做出的北極熊毛衣是用鑷子編織的
帶着新的挑戰，柏浩課題組再次翻開了他們的“教科書”——北極熊毛。果然，他們注意到一個被忽略的細節：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，占毛發直徑的近1/4。進一步探究表明，這兩部分各司其職，外殼負責保證機械性能，核心則起到隔熱保溫的主要功能，同時外殼對核心也有保護作用。
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
正是這個發現，啟發團隊研制“北極熊毛2.0”。通過模仿北極熊毛發的核-殼結構，柏浩教授團隊開發了一種高分子殼層封裝的EAFs，EAF的核心是含有大量亞微米級孔隙的高分子氣凝膠，能從傳導、對流和熱輻射三個次元一同阻隔熱量的損失；外殼則采用了現有的熱塑性聚氨酯橡膠（TPU）材料。EAF的研制成功，克服了長期以來困擾脆弱氣凝膠在強韌隔熱紡織品中實際應用的障礙。
仿生北極熊毛設計示意圖
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”，在這裡舉辦了一次“保暖挑戰賽”。論文共同作者博士生張子倍同學擔任模特，分别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。
各種衣物面料的保暖“挑戰賽”
幾分鐘後，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”。
“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。”柏浩說，“新型的可編織氣凝膠纖維的設計，正是遵循這一思路。” 在後續實驗中，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，洗了之後不會縮水，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着色。
新型纖維耐水洗，洗後不會縮水，保暖效果依舊
你是否和俺一樣，迫不及待地想穿上這件“北極熊毛衣”呢？
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