▎药明康德内容团队编辑在最近的寒潮天气里，厚重的羽绒服与毛衣成了我们出门的必备衣着。如果告诉你穿一件薄薄的毛衣就能抵御严寒，这话怎么听都像是恶作剧。现在，在北极熊的启发下，浙江大学研究团队的最新突破让这样的场景有望成真！在发表于最新一期《科学》杂志的文章中，浙江大学化学工程与生物工程学院柏浩教授和高分子科学与工程学系高微微副教授团队合作，模拟北极熊毛的多孔结构，制备出一种封装气凝胶的超保暖人造纤维。这种仿生北极熊毛不但有传统保温材料的隔热功能，还能“封锁”人体向外辐射的红外线，耐拉伸等力学性能也大大提升，能真正将保暖的气凝胶穿在身上。无论是我们穿的羽绒服，还是北极熊的毛，本质上都是利用空气来保暖。这些材料都含有大量孔隙结构，其中封装的“静止”空气可以抑制热传导和热对流，从而减少热量流失。因此，如果材料孔隙率越高、同时密度越小，就有可能为我们造出保暖效率更高的衣物。而兼具以上两点优势的气凝胶，就成了开发新型保暖衣物的理想候选材料。自从1931年诞生以来，气凝胶就被认为是超级保温材料。在气凝胶中，空气占总体积90%以上，其密度甚至比空气还小。此后，气凝胶已经广泛应用于建筑、储能装置、催化剂载体等领域。然而，这类材料在保暖织物中的应用却受到了很大的限制。究其原因，一件合格的衣服不仅需要保暖、轻薄，还需要耐拉伸、耐洗涤等特性。不幸的是，气凝胶并不符合。无论是将气凝胶“涂”在织物的表面，还是直接“纺”出含有气凝胶的纤维，气凝胶都存在一系列缺陷，例如：作为涂层容易脱落，材料的气凝胶含量有限，缺乏编程成纺织品所需的强度和韧性，材料无法机洗，在潮湿环境中容易失去保温能力……这些问题意味着，开发可编织的气凝胶材料仍然是一个挑战。于是，研究团队决定向自然界的保暖大师北极熊学习。人们已经发现，北极熊的毛存在有序的中空多孔结构，这些孔隙中储存了大量帮助保温的空气。2018年，柏浩课题组就模拟北极熊毛的微观结构，开发“冷冻纺丝”技术将蚕丝蛋白纺织成结构与北极熊毛相近、导热系数更低的第一代“北极熊毛衣”。柏浩课题组的发明引起了包括《自然》杂志在内的学术期刊和工业界的广泛关注。轻薄的多孔纤维具有良好的隔热性能，然而其轴向抗拉伸性还不够理想。“现有的几种方案不能同时解决保暖、轻薄和耐用的问题。” 柏浩教授表示。带着新的挑战，柏浩课题组又翻开了他们的“教科书”——北极熊毛。这一次，他们注意到过去一个被忽略的细节：北极熊的毛不仅是中空的，而且还有一层壳！在电子显微镜下，这层壳大概有20微米厚，占了毛发直径的近四分之一。中心高孔隙率的核提供了优异的保温性能，而致密的外壳提供高效的机械保护。这样的“核-壳”结构才是北极熊毛保暖的完整秘诀，也启发了团队对于“北极熊毛2.0”的研制。借鉴北极熊毛的 “核-壳”结构，历时近6年，团队做出了一种由热塑性聚氨酯弹性体（TPU）外壳和高分子气凝胶内核组成的新型纤维。与北极熊毛一样，一核一壳各司其职：内核负责保暖，外壳负责强韧耐用。▲左图为北极熊毛的微观结构；右图为仿生北极熊毛的微观结构（图片来源：参考资料[1]）首先来看纤维的“核”。前文介绍到，传统的保暖衣物通过抑制热传导和热对流来阻止热量流失，但对于占到人体散热比例40%~60%的热辐射，这些材料的效果很有限。为此，研究团队向北极熊毛的有序结构学习，对纤维内部小孔的方向与尺寸进行了调控。“红外线是从体表皮肤向外辐射。让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。” 论文第一作者，博士生吴明瑞说。利用“冻纺”技术纺织出同向排列的多孔高分子气凝胶纤维后，研究团队在学校食堂-20℃的恒温冷库里对全新的“北极熊毛衣”与羽绒衣、羊毛毛衣、棉毛衫等传统保暖衣物的保暖效果进行了测试。结果，在同等时间内，厚度和羊毛毛衣接近、仅为羽绒衣1/5到1/3的“北极熊毛衣”表面温度仅上升3.5℃，低于包括羽绒衣在内的保暖衣物，说明其阻止人体热量流失的效果最优。▲各种衣物面料的保暖“挑战赛”（图片来源：参考资料[1]）有了高效保温的内核，接下来就是封装内核的外壳。理想的外壳需要赋予纤维耐拉伸、耐洗涤等性能。同时，这层壳还需要轻薄，否则不仅笨重还会牺牲保温性能。为此，研究团队选择了常见弹性材料TPU来制作封装层，因为其具有较高的机械强度和可伸展性。在实验中，新型纤维能被拉伸到自身长度的10倍而不断裂，延伸性相比于传统气凝胶纤维提升了近3个数量级。此外，在拉伸至自身长度两倍的情况下，纤维经过一万次的拉伸后仍能保持稳定的隔热性能。将内外两层相结合，研究团队得到了封装气凝胶纤维（encapsulated aerogel fiber, EAF）材料。这款全新的“北极熊毛2.0” 具有超过90%的内部孔隙率，同时其力学性质使得新型纤维适合编织。达到同等保暖效果时，“北极熊毛衣”的厚度仅有羽绒的越五分之一。后续实验还证实，这款“北极熊毛衣”耐洗涤，水洗后不缩水并且不影响保暖性能；此外还能轻松地对仿生北极熊毛进行着色。▲新型纤维耐水洗，洗后不会缩水，保暖效果依旧（图片来源：参考资料[1]）“北极熊毛让我们看到了大自然是如何通过‘解耦’设计来解决问题的。核与壳各司其职，缺一不可，共同成就了自然界最抗寒的材料之一，”柏浩教授说，“新型的可编织气凝胶纤维的设计，正是遵循这一思路。”▲仿生北极熊毛设计示意图（图片来源：参考资料[1]）审稿人在与团队讨论论文的措辞时，提议“不妨说人造北极熊毛‘超越’了天然北极熊毛”，柏浩教授认为，“超越”一词并不一定合适。“仿生的本质是向大自然学习如何解决问题，并不意味着我们已经完全理解了大自然。仿生是一个无止境的学习过程，即使是一根北极熊毛，里面肯定还有我们未知的智慧，所以说‘超越’还为时过早。当我们遇到新的问题，会促使我们继续向大自然学习，大自然也总能给我们以珍贵的启示。通过见人所常见，思人所未思，不断揭示大自然的秘密，发现新知识，创造改善人们生活的新材料是仿生研究的使命，也是我们多年来坚持的追求。”柏浩说。[1] M.R. Wu et al., Biomimetic, knittable aerogel fiber for thermal insulation textile. Science (2023). DOI: 10.1126/science.adj8013本文来自药明康德内容微信团队，欢迎转发到朋友圈，谢绝转载到其他平台。如有开设白名单需求，请在“学术经纬”公众号主页回复“转载”获取转载须知。其他合作需求，请联系[email protected]。
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