浙大研發山寨版北極熊毛

何頡

據國際期刊《先進材料》（Advanced Materials）報道，浙江大學研究人員受到北極熊毛微觀結構和隔熱功能的啟發，利用“冷凍紡絲”技術，將絲素蛋白溶液制成具有多孔微結構的“智能仿生纖維”。用這種纖維編織的紡織品具有優異的保溫性，保暖性能甚至比北極熊毛更強，同時還具有良好的透氣性和耐磨性，這是其他紡織方法難以實現的。除了被動隔熱，當這種纖維摻人碳納米管時，還可實現電加熱功能。更令人意想不到的是，穿上這種纖維做的服裝后，用戶在紅外熱成像設備上可完美實現“熱隱身”，這在軍事領域應會有用武之地。這是怎么回事呢？

北極熊毛發啟發隱形織物開發

現實中，沒有人能像魔法師哈利·波特那樣擁有隱形斗篷，但科技界并不乏“隱形”技術。美國化學會構想了這么一幅生動的畫面：有一只小兔子，能偷蘿卜、偷蔬菜，它作為一只溫血動物，卻完美躲過紅外相機的監視……原來，這要歸功于它穿著浙江大學化學工程與生物工程學院柏浩教授團隊研發的“山寨北極熊毛”。

作為一名仿生智能材料專家，柏浩教授曾帶領團隊深入研究蜘蛛絲和仙人掌的集水問題，發現它們能夠從潤濕的空氣中高效捕獲和收集水。這一特性得益于二者表面特殊的微結構，能夠驅動尺度很小的微量液體。其團隊利用多種物理、化學方法制造出了具有類似蜘蛛絲表面結構的仿生高分子纖維材料，可定向驅動和收集微小液滴。據了解，這種材料在淡水收集、氣凝膠過濾、生物檢測、智能催化等領域都有極大的潛在應用價值。

有一次，柏浩在觀看北極熊相關紀錄片時就思考：北極熊為什么不怕冷，能在極寒的北極閑庭信步？其實它輕盈油亮的“皮草”功不可沒。那一身毛發能將熱量緊緊鎖在體內，隔絕了與外界的熱量交換，從而幫助它們抗寒。白那以后，柏浩開始琢磨如何做出一件可媲美北極熊毛的“毛衣”。

靜止空氣越多越保暖

要了解北極熊毛的功能，不妨先了解下“保暖”的原理——阻止熱量流失。人體自身是一個發熱恒溫體，這些熱量如果釋放較少或較慢，人就會感到溫暖。熱量通過熱傳導、熱對流、熱輻射3種方式來傳遞。舉幾個生活中的例子，冬天手里捧個熱水袋覺得熱乎，就是傳導;刮西北風導致氣溫下降，就是對流;曬太陽覺得熱，就是輻射。

熱量傳遞必須有物質來當媒介，才能將熱量從高溫處傳給低溫處。不同材料的導熱性各不相同，一般用“導熱系數”表示，導熱系數越高即散熱性越好，比如金屬的導熱系數普遍比木材高。相反，導熱系數越低，材料的保暖性越好。

比如羊毛的導熱系數是0.052瓦/（米·攝氏度），比起導熱系數0.071瓦/（米·攝氏度）的棉，以及導熱系數0.055瓦/（米·攝氏度）的蠶絲都低，所以羊毛的保暖程度比棉花和蠶絲都要好。一般認為導熱系數不超過0.175瓦/（米·攝氏度）的材料就屬于“絕熱材料”。不過，靜止、干燥的空氣導熱系數更小，只有0.026瓦/（米·攝氏度），這也意味著空氣的保暖性最好。當然，外界的空氣由于是流動的，起不到保溫作用。人穿衣服后，衣服和人體之間會形成一層“靜止空氣”，可阻隔衣服內外的空氣對流，減少熱量散失。所以衣服的纖維中儲存越多的空氣，保暖效果就越顯著。

柏教授的團隊研究了北極熊“天然大衣”的微觀結構和保溫性能，發現每根北極熊毛長約15厘米，直徑約200微米。它有一根中空而半透明的小管，小管周圍則布滿孔徑15～20微米左右的小孔，也沿著同一方向伸展。這些小孔封裝著空氣，由于這些空氣導熱系數低，又相對靜止，使得北極熊的毛幾乎不與外界傳遞熱量，可謂一個熱絕緣體。如果用紅外相機拍攝它們，是看不到“熊形”的。

多孔材料用于保溫在生活中并不稀奇，生活中常見的泡沫塑料就是其中一種，所以運冷凍食品和街頭賣冰棍的都拿它當容器。不過，想做出世界上獨一無二的“山寨北極熊毛”穿在身上，除了微觀結構要逼真外，對材質、強度、舒適度等方面也有很高的要求。

“冷凍紡絲”技術兼顧強度與保暖

柏浩課題組經過一年多的研發，已經找到一種方法，可以相對連續大規模地制造北極熊毛仿生纖維。這種方法被稱為“冷凍紡絲”，它將兩種技術結合在一起：定向冷凍和溶液紡絲。他們從蠶絲中提取絲素蛋白，溶解于水中，制成含水量達95%的紡絲溶液，再用泵控制的注射器將紡絲溶液慢慢推入冷凍裝置——一個低溫銅環。此時，溶液中的水受冷結成扁平冰晶，冰晶將蠶絲蛋白擠壓到相鄰的冰晶中間，再通過冷凍干燥的方法，令冰晶升華，從而留下眾多片層孔，這么一來，蠶絲蛋白就被“塑形”成直徑約200微米的單絲纖維，外形酷似北極熊的毛。

從電子顯微鏡看這根“仿制毛”的微觀結構：纖維內部層層有序地（對齊）分布著許多狹長的小孔。孔隙率高達87%。通常來說，多孔材料的質地會比較脆，然而，柏浩團隊這種制造方法使仿制毛的內腔孔洞相對整齊、連續排列，確保了纖維的結構完整性，防止它們變脆，賦予了材料一定的強度。

更可喜的是，“原版”北極熊毛的導熱系數為0.027瓦/（米·攝氏度），而這種山寨版的導熱系數只有0.019～0.022瓦/（米·攝氏度），保暖性能可謂“青出于藍而勝于藍”。

調整水狀混合物的粘度和調節銅環的溫度等不同條件之后，研究團隊發現在零下100攝氏度下運行該過程，產生直徑約30微米的孔，能使仿生纖維的強度和隔熱性能達到完美平衡狀態。法國陶瓷合成和功能化實驗室的研究主任西爾凡·德維爾（ Sylvain Deville），也用這種“冰模法”制造過多孔纖維。但他坦言，柏浩團隊對于纖維強度和保溫性的兼顧確實做得更好。

未來“毛衣”或薄如蟬翼

為測試這種纖維的保溫性，柏浩的學生崔瀅穿針引線，將這種人造纖維織成一塊布，其蠶絲蛋白含量相當于兩顆蠶繭。隨后，他們找來一只小白兔當模特，試穿這種材料。在零下10攝氏度到40攝氏度的環境溫度中，研究人員用紅外相機給小兔子拍照。無論背景溫度是40攝氏度，15攝氏度還是零下10攝氏度，照片上，小兔子頭部的輪廓都清晰可見，而穿著“毛衣”的身軀卻看不見，完美實現“隱身”。原來，小兔子體表的溫度被“毛衣”鎖定，紅外相機因捕捉不到向外散發的熱量而無法成像。這種纖維織物能保持兔子的體溫不變，還讓它保持舒適。

據了解，這種人造纖維的優異保溫性能其實依靠的是熱傳導、熱對流和熱輻射3種途徑的共同作用：大量孔道使纖維內部能夠容納很多空氣，而空氣的導熱系數非常小，大大降低了機體與外界的熱傳導;復雜的孔道結構使得空氣流動受限，減少了熱對流;多層孔壁結構還能反射外界的熱輻射，避免外界熱量進入，可實現“冬不冷、夏不熱”的效果。

雖然它并非真正的隱形斗篷，但這種生產“紅外隱形毛衣”的方法或許可以用于冬季裝備的生產。如果可以大規模量產，那對于抗寒保暖而言無疑是革命性的。有了這樣性能“逆天”的材料做衣服，未來的冬天，我們就可以告別厚重的大衣，披一件薄如蟬翼的“毛衣”便可出門，聽著是不是就很激動？

被動隔熱+主動生熱

柏浩教授表示，在隔熱保溫功能上仿生北極熊毛只是研究的第一步。仿生的終極目的，并非機械地制造出和大自然一模一樣的產品，而是在大自然的啟發下，開發出更強大的材料，添加為人所需的功能。其課題組還在這種仿生北極熊毛中加入“碳納米管”，制造出電加熱織物。

在5伏的電壓下，電加熱織物的溫度可以在一分鐘內從24攝氏度升高至36攝氏度，使這種多功能可穿戴織物既可以實現被動隔熱，也可以實現主動快速生熱，可以做成用于戶外的便攜式電熱毯。

未來，山寨北極熊毛也許還可用于生產軍用服裝。野外作戰的士兵，穿上用這種“熱隱身衣”，可成功躲過紅外設備探測。