利用蠶絲製造既保暖又能隱身的仿生北極熊毛織物纖維

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Photo by Victor Benard on Unsplash

北極熊能夠在低至零下80攝氏度的嚴寒極地自在生活，甚至可以在冰冷的海水中連續游泳十幾公里，這主要得益於其肥厚的皮下脂肪和構造特殊的體毛。北極熊身上的白色長毛在顯微鏡下看起來就像是一根根中空多孔的管子，它們不僅保溫性能良好，而且還能將95％的太陽光能轉化為熱能。

北極熊體毛橫截面和縱切面的掃描電子顯微鏡圖像：

Photo from Ying Cui et al., Advanced materials, 2018, 1706807

正是受到北極熊毛的啟發，浙江大學化學工程與生物工程學院柏浩研究團隊利用蠶絲製造出來一種仿生纖維，這種仿生纖維不但可以隔熱保溫，還具有「熱隱身」的特殊功能。該研究近期發表於材料科學領域的國際領先學術雜誌之一：Advanced Materials（IF 19.791）。

柏浩團隊研發出了一種冷凍紡絲技術，他們將蠶絲溶解於水中製成含水量達95%的紡絲溶液，然後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，再通過冷凍乾燥使纖維中的冰晶升華，從而在單絲纖維中留下眾多有序的片層孔。

仿生纖維製造工藝示意圖如下：

Photo from Ying Cui et al., Advanced materials, 2018, 1706807

仿生北極熊毛織物纖維材料是這樣的：

Photo from Ying Cui et al., Advanced materials, 2018, 1706807

不同冷凍溫度下製備出的中空纖維具有不同的孔狀結構：

Photo from Ying Cui et al., Advanced materials, 2018, 1706807

研究團隊發現，這種仿生纖維的導熱係數比北極熊毛更低（靜止空氣導熱係數27，北極熊毛約27，仿生纖維最低19），保暖性能優於北極熊毛。為了進一步證實該種仿生纖維的性能，研究團隊將仿生材料編織成一小塊仿生織物，覆蓋在一隻兔子身上。實驗顯示，在-10℃到40℃的環境中，紅外線相機幾乎觀測不到被仿生織物覆蓋的生物體的熱量，成功實現紅外「熱隱身」。這一仿生纖維在軍用「隱身衣」的製造上具有很好的應用前景。

Photo from Ying Cui et al., Advanced materials, 2018, 1706807

此外，作為人造材料，這種仿生纖維可以添加更多人類所需的功能。柏浩團隊將碳納米管加入仿生纖維，製造出了電加熱織物。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℃。因此，這種多功能可穿戴織物既可以實現被動隔熱，也可以實現主動生熱。

報道稱，此前，來自法國卡瓦永的科學家西爾萬·德維爾(Sylvain Deville)已經用過同樣的冰模板法來製造多孔纖維。但德維爾亦承認柏浩團隊展現出了更強的控制纖維結構的能力。目前，柏浩已獲得了這項凍結紡絲技術的專利，他希望能把這種織物發展成商品。並且，他也很看好自己的成果在工業、軍事等領域的應用前景。但德維爾認為，以目前技術而言，生產一件織物的過程過於費時，短期內還無法量產。

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