用多孔仿生纖維織就一款北極熊“毛衣”

具有“熱隱身”功能的仿生隔熱織物，在紅外相機下顯示隔熱效果。盧紹慶供圖

生活在極地世界的北極熊是最不怕冷動物之一，原因自然是北極熊自帶一身最抗寒的“皮草”。近日，浙江大學化學工程與生物工程學院柏浩教授團隊用獨特的“凍紡”術紡出人造纖維，其隔熱性能可與北極熊的毛發媲美。

該研究成果的論文《仿北極熊毛的隔熱織物》在《先進材料》發表后，《自然》《新科學家》和美國化學會等進行了陸續報道。

多孔毛發“鎖住”北極熊體溫

眾所周知，北極熊一身輕盈油亮的毛發能夠將熱量緊緊地鎖在體表內，為其創造溫暖舒適的微環境。每根北極熊的毛大約15厘米長，直徑和人的頭發差不多粗細。但放在電鏡下觀察會發現，其毛發有一根中空而半透明的小孔，小孔周圍還有許多更為狹長的小孔，也沿著同一方向伸展。

柏浩告訴記者，毛發中的小孔內“封裝”著空氣，空氣靜止了，熱對流就無法產生，從而減少了熱量的流失。北極熊的毛幾乎不泄露熱量，即使用紅外相機拍攝，也無法探測到熱量。

于是，柏浩思考，能不能做出一件北極熊的“毛衣”來，幫助人類抵抗嚴寒呢？

“凍紡”術造就低成本“熱隱身”纖維

經過一年多嘗試，團隊開發出一種“凍紡”術，用天然的蠶絲蛋白紡成纖維，其結構與隔熱功能都可與北極熊的毛媲美。

在實驗室內，記者看到了一臺正在工作的“紡紗機”：濃度為5%的蠶絲蛋白水溶液，被注射穿過一個冰冷的銅環，水溶液中的水遇冷凝成冰晶，溶液被重新“塑形”成纖維。這些纖維經過冷凍干燥，冰晶蒸發了，便留下一條條由蠶絲蛋白組成的纖維“仿制毛”。

在電鏡下“仿制毛”內部層層有序地分布著狹長小孔。“多孔材料質地往往較脆，而這種層層有序的分布，賦予了材料一定的強度。”柏浩表示，這是材料實現紡織和穿戴的必要條件。

團隊將人造纖維織成一塊布，并通過實驗證明，在-10℃到40℃的環境中，小兔子體表溫度被鎖在了人造纖維的衣服內，從而實現了完美“熱隱身”。課題組還通過對比發現，在導熱率方面，天然北極熊毛的為27，仿生纖維的最低為19。而導熱率越低，代表隔熱性能越好。

仿生終極目標超越自然材料

這一仿生隔熱纖維的誕生，也展示了美好的應用前景：未來的冬天，我們或許可告別厚重的外套，披一件薄如蟬翼的“毛衣”便可出門；野外作戰的士兵，在“熱隱身衣”的保護下，可成功躲過紅外探測……

“在隔熱功能上仿生北極熊，這只是我們研究的第一步。”柏浩說，仿生的終極目的，并不是制造出和自然一模一樣的產品，而是研發設計功能更為強大的材料。