浙大研發人造纖維 抗寒堪比北極熊毛

浙江新聞客戶端 | 通訊員 周煒 盧紹慶 記者 曾福泉

天寒地凍的冰雪世界裡，北極熊們自帶一身最抗寒「皮草」繁衍生息。浙江大學化學工程與生物工程學院柏浩教授團隊受此啟發，用獨特的「凍紡」術紡出一根根人造纖維，隔熱性能可與北極熊的毛髮媲美。穿上這身人造纖維編織成的「毛衣」，小兔子成功逃過了紅外相機的追蹤。

相關論文A Thermally Insulating Textile Inspired by Polar Bear Hair （仿北極熊毛的隔熱織物）發表在2月14日上線的《先進材料》（Advanced Materials）後，《自然》、《新科學家》和美國化學會等陸續將此作為科學研究亮點進行了報道。

北極熊的抗寒術

人們很早就知道，能在零下幾十度的極地世界成為一方「諸侯」，北極熊一身輕盈油亮的毛髮功不可沒。這身「毛衣」將熱量緊緊的鎖在北極熊的體表，創造了溫暖舒適的微環境。穿著這件「毛衣」，北極熊即使突然跳進冰水捕食，也絕不打一個噴嚏。

北極熊的毛，有可能是自然界最抗寒的保溫材料。每根北極熊的毛大約15厘米長，直徑大概在200微米左右，和人的頭髮差不多粗細。放在電鏡下觀察，你會驚嘆於大自然精巧的結構：它是一根中空而半透明的小管，孔徑15-20微米左右。小孔周圍還有許多更為狹長的小孔，也沿著同一方向伸展。

電鏡下的天然北極熊毛的微觀結構

「許許多多小孔『封裝』著空氣，空氣靜止了，熱對流就無法產生，減少了熱量的流失」柏浩教授解釋，這與我們穿衣保暖是同一個道理，層層的衣服將空氣包裹在身體周圍，產生保溫效果。北極熊的毛幾乎不泄露熱量，如果戶外用紅外相機拍攝它們，是徒勞的。

柏浩教授平時很愛看北極熊的紀錄片，他同時是一位仿生智能材料專家，讚歎大自然的同時，他還在琢磨：我能不能做出一件北極熊的「毛衣」？

發明「凍紡」術

多孔材料用於保溫在生活中並不稀奇，比如用於保溫的泡沫塑料，也是一種多孔結構。柏浩團隊面臨的挑戰是，他們想做出世界上獨一無二的仿製「毛」，用於穿戴，這要求除了微觀結構要逼真外，其材質、強度、舒適度等都要達到可穿戴要求。

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。

在玉泉校區的實驗室里，記者看到了這台自動「紡紗機」。濃度為5%的蠶絲蛋白水溶液，被針頭緩緩地注射穿過一個冰冷的銅環，水溶液中的水遇冷瞬間凝成了冰晶，水溶液被重新「塑形」成為連續的纖維。在這個過程中，冰晶發揮了「塑形」的功能，不但形成了纖維的「骨架」，也在纖維內部形成了有序的空間。這些纖維經過冷凍乾燥，冰晶蒸發了，便留下一條條由蠶絲蛋白組成的纖維，外形酷似北極熊的毛。

視頻顯示了「凍紡」術過程

人造北極熊毛微觀電鏡結構

論文第一作者、碩士二年級的崔瀅同學用電鏡拍攝了這根「仿製毛」的微觀結構：纖維內部層層有序地分布著狹長的小孔。「通常來說，多孔材料的質地會比較脆，而這種層層有序的分布，賦予了材料一定的強度。」柏浩認為，這是材料實現紡織和穿戴的必要條件。

崔瀅用鑷子穿針引線，將人造纖維織成一塊布。所用的蠶絲蛋白的量，相當於兩顆蠶繭。課題組請一隻小白兔當模特，第一個試穿這種材料。在-10℃到40℃的環境中，科學家用紅外相機給小兔子拍照。照片上，小兔子頭部的輪廓清晰可見，而穿著「毛衣」的身軀不見了，實現了完美熱隱身！原來，小兔子體表的溫度被鎖在了「毛衣」里，紅外相機無法捕捉到流失的熱量。

課題組還對天然北極熊毛與人造北極熊毛的導熱率進行了對比，天然北極熊毛的導熱率是27，接近於靜止的空氣26，而「山寨」版仿生纖維的導熱率最低為19。導熱率越低，表示隔熱性能越好。

具有熱隱身功能的仿生隔熱織物

下一步，超越北極熊

論文一出，國際上許多媒體對這項研究產生了濃厚的興趣。Nature雜誌在Highlight欄目專門評述了這一進展。美國化學會的記者，則構想了一幅生動的畫面：披著北極熊的「毛」的小兔子，偷蘿蔔，偷蔬菜，完美躲過了相機的監視……

這一仿生隔熱纖維展示了美好的應用前景：未來的冬天，我們或許可以告別厚重的外套，批一件薄如蟬翼的「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。

柏浩（左）和崔瀅在實驗室

「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，並不是製造出和自然一模一樣的產品，而是在大自然的啟發下，研發設計功能更為強大的材料。課題組目前已經做出一些探索：比如，在纖維中加入導電的碳納米管，就可以做出用於戶外的攜帶型電熱毯，充電數秒，溫度就可以上升10攝氏度。不但隔熱，還是「秒熱」。「此外，我們還在研發用於高溫隔熱的功能材料。」柏浩說。

據介紹，論文的其他作者還包括本科生龔華鑫、碩士生王玉潔、博士生李德文。該項研究得到了國家自然科學基金和國家「青年千人」計劃的資助。

（部分圖片由崔瀅提供）

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