浙江大學科學團隊研發出神奇仿生材料 用它做成的衣服不要太保暖

幾天前,一隻身披神奇馬甲的小兔子,在材料科學領域的國際領先學術雜誌《先進材料》上亮相,馬上獲得《自然》、《新科學家》等多本雜誌的報道。

這件神奇馬甲,是浙江大學化學工程與生物工程學院柏浩教授團隊的最新科研成果——它模仿了北極熊毛髮結構,是一種有序多孔的高效隔熱保溫織物;它還有另一項神奇的功能,披上這件「戰袍」,就能在紅外線成像設備中實現熱隱身。

穿「北極熊馬甲」的兔子。崔瀅 攝

脫下那層毛

北極熊其實是黑熊

柏浩的創意,是從北極熊的紀錄片里得來的。

生活在北極的北極熊,靠穿著一身「貂」,與極寒抵抗。其實,北極熊與棕熊是同門,有共同的祖先,而它實際是一隻「香蕉熊」——在純白色的熊毛下,北極熊的皮其實是黑色的。

完全罩住北極熊的稠密白毛,能高效地將熊身上的熱量與戶外的冰天雪地隔離開來,奧秘在哪裡呢?

錢報記者在柏浩的實驗室,親手摸到了北極熊的毛。每一根直徑100微米的(1毫米=1000微米)北極熊毛,手感近似人類發質粗密的頭髮。

在電子顯微鏡下,北極熊毛的橫截面如同一根管道,裡面充斥著多個孔洞。這種結構對光線裡面的紅外線,有非常好的反射作用。同時,在寒冷的天氣裡面,它能夠封存住大量的空氣,高效地儲存熱量,並輸送到北極熊的體表。

它不光保暖

還能隱身

理論上,如果我們能夠製造出類似北極熊毛的仿生材料,那麼人類也將具備極限環境中的抗寒能力。於是,柏浩課題組開始向這個方向邁進。

他們研發出一種叫"冷凍紡絲"的技術:將蠶絲溶解於水中,製成含水量達95%的紡絲溶液;再用注射器將紡絲溶液慢慢擠入冷凍裝置,形成直徑約為200微米的單絲纖維;最後通過冷凍乾燥,令纖維中的冰晶升華,留下眾多有序的片層孔。

這種有序多孔纖維材料,和北極熊的毛一樣,具有大量大小均勻的空洞,能夠隔絕外部的冷空氣。

課題組製作了一根長絲,截成多段後,由柏浩課題組的崔瀅碩士,給身長20厘米的小兔子織了一件平針馬甲。

這就是本文前面提到的小兔子最後的造型。

實驗顯示,在-10℃到40℃的環境中,紅外相機幾乎觀測不到被仿生織物覆蓋的生物體的熱量,成功實現「隱身」。

這項實驗提示了新型材料的一種潛在用途——隱身衣。在《007》系列中,黑夜中的邦德也沒能避開熱感應的監測。但是,如果他有一件北極熊馬甲,就能在沒有光線的情況下,做到完全隱身。

和某鵝比

北極熊衣才是真正的極寒戰袍

昨天,圍觀馬甲的編輯部同事提出了一個問題,跟今年的最火代購「加拿大鵝」(Canada Goose,國際著名羽絨衣品牌)比,科學家的「北極熊」怎麼樣?

「首先,從生產角度講,這種人造材料的製備肯定比養鵝要方便、廉價,而且想織多少就能織多少。」柏浩說,兔子的馬甲,原料就是兩個蠶繭,物料成本5毛錢不到。

再比保暖係數。「我沒有研究過羽絨衣,但可以給一個科學上的參數比對。」柏浩告訴記者,靜止空氣的導熱率是26(導熱率越低越保暖),天然的北極熊毛導熱率是27左右,已經非常接近靜止空氣的導熱率。

柏浩團隊製備的仿生纖維,導熱率最低只有19。

「而且人造材料,可以添加更多人類所需的功能。」柏浩課題組還將碳納米管加入這種仿生纖維,製造出電加熱織物,「在5伏的電壓下,電加熱織物的溫度可以在一分鐘內從24℃升高至36℃。」

也就是說,這件多功能戰袍,既可以實現被動隔熱,也可以實現主動生熱。

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