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超保暖！我国科学家制备出“北极熊毛衣”
摆脱臃肿的羽绒服，穿上超薄人造纤维织就的衣服，就能像北极熊一样不畏严寒。
一身超强保暖的“毛衣”，让北极熊能适应零下40℃的环境。北极熊的毛是中空结构，里面封装了大量空气，通过抑制热传导和热对流减少热量的流失。保暖衣物的设计运用了这一原理。
为了追求在保暖的同时更加轻薄，人们自然想到用更少的材料封装更多空气。孔隙率极高、密度比空气还小的气凝胶（空气占总体积90%以上）是一种理想选择。然而，由于气凝胶涂层容易脱落，或者材料的气凝胶含量有限，存在耐磨、抗拉伸等力学性能不佳问题，若要用于提升衣物保暖性能，相关技术和工艺有待突破。
2018年，柏浩课题组模仿北极熊毛发结构，曾研制出一种有序多孔的隔热保温织物，然而其轴向抗拉伸性还不够理想。带着新的挑战，柏浩课题组注意到一个被忽略的细节：北极熊的毛不仅是中空的，而且还有一层约20微米厚的壳，占了毛发直径的近四分之一。
借鉴北极熊毛的“核-壳”结构，联合团队历时近6年，做出了一种新型纤维：纤维的中心是高分子气凝胶，内部分布着直径大约为10-30微米的纤长小孔。它们朝着同一个方向排列，像一个个存储空气的仓库；同时，一层热塑性聚氨酯弹性体外壳将内部的气凝胶包裹起来。
“‘核’负责超强保暖功能。保暖从一定程度上讲就是防止热量的流失。”论文第一作者，博士生吴明瑞介绍，人体散热的主要形式包括热辐射、热对流、热传导和汗液蒸发等，其中热辐射的影响最大（占比40%-60%），热量以红外辐射的形式流失。
他解释说，红外线是从体表皮肤向外辐射，让新型纤维内部小孔的取向与辐射方向垂直，同时调整尺寸，就有望匹配红外线的波长，从而达到锁住红外辐射的目的。
“‘壳’负责强韧耐用，团队为新型纤维设计的热塑性聚氨酯弹性体，使得新型纤维能被拉伸到自身长度的两倍而不断裂，很好地满足了衣物纤维的抗拉伸需求。”柏浩说，过厚的壳会影响纤维的保暖性能，团队选取了一个最优值，兼顾材料的保暖性能和力学性能。
在零下20℃的恒温冷库内，联合团队进行了一项对比试验——由科研人员分别试穿初始温度相同的羽绒衣、羊毛毛衣、棉毛衫和新款“北极熊毛衣”，并记录衣物表面温度的上升情况。
“升温越少代表人体热量流失越少。”柏浩介绍，实验开始几分钟后，棉毛衫的表面上升到了10.8℃，羽绒衣的表面温度上升到了3.8℃。厚度和羊毛毛衣接近，仅为羽绒衣三分之一到五分之一的新款“北极熊毛衣”表面上升到3.5℃。
“目前，实验室内可连续宏量制备这一新型纤维，并轻松地对新款‘北极熊毛衣’进行着色。”柏浩表示，其制备成本主要是物料和加工，若要走向工业化量产，现阶段物料成本虽低，但加工成本较高，需要进一步改进工艺、降低成本，真正出现在货柜上。
来源：科技日报（作者：洪恒飞 周炜 江耘）