薄且暖 中国科学家用气凝胶织出“北极熊毛衣”
穿上人造纤维织就的超薄衣物，就能摆脱臃肿的羽绒服，像北极熊一样不畏严寒？1月3日，记者获悉，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近日在国际学术期刊《科学》上发表了最新研究成果。该成果通过模仿北极熊毛的“核—壳”结构，制备出一种封装气凝胶超保暖人造纤维。它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，且可以直接用商用纺织机编织成面料。
一身具有超强保暖效果的“毛衣”，让北极熊能适应零下40摄氏度的环境。北极熊的毛是中空结构，里面封装了大量空气，可通过抑制热传导和热对流减少热量流失。
保暖衣物的设计正是运用了这一原理。为了让衣物在保暖的同时更加轻薄，科研人员试图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，且气凝胶含量有限，存在耐磨、抗拉伸等力学性能不佳等问题。若要将它用于提升衣物保暖性能，还需突破相关技术和工艺。
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，团队历时近6年，研制出了一种新型纤维。该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。保暖从一定程度上讲就是防止热量的流失。”论文第一作者、浙江大学博士生吴明瑞介绍，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。
吴明瑞解释说，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，兼顾了材料的保暖性能和力学性能。
在零下20摄氏度的恒温冷库内，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服、羊毛毛衣、棉毛衫和用新型超保暖人造纤维制成的“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，试验开始几分钟后，棉毛衫的表面温度上升到了10.8摄氏度，羽绒服的表面温度上升到了3.8摄氏度。厚度和羊毛毛衣接近、仅为羽绒服三分之一到五分之一的新款“北极熊毛衣”表面温度上升到3.5摄氏度。
“目前，实验室内可连续制备这一新型纤维，并对新款‘北极熊毛衣’进行着色。”柏浩表示，其制备成本主要源于物料和加工。现阶段物料成本虽低，但加工成本较高，若要实现工业化量产，还需要进一步改进工艺、降低成本，才能让“北极熊毛衣”真正出现在货架上。
原标题:我国科学家用气凝胶织出“北极熊毛衣”