超薄超保暖，仿北极熊毛的毛衣

　　白二娃

　　北极熊毛为什么那么保温？

　　经过亿万年的进化和自然选择，天然材料通常具有人工合成材料难以获得的复杂多级结构，并具有这些复杂结构所赋予的优异性能。北极熊毛不仅比羽绒更保暖而且比多数人造纤维拥有更好的保暖及力学性能，是仿生学研究的重点对象。

　　浙江大学的研究人员通过扫描电子显微镜、动态热机械分析、原位小角X 射线散射等方式对北极熊毛的室温及低温力学性能进行了探索。研究发现，北极熊毛具有由纳米级蛋白质分子至微米级纤维的多级复杂结构。占毛发直径1/2 至3/4 的外层由沿轴向紧密排列的微纤组成致密壳层，这层壳为熊毛提供了优异的力学强度；内部1/2 至1/4 的核层为垂直于纤维轴向的片层多孔结构，保证了内部空气静止隔热，还能把身体向外辐射的红外线挡回去。这种结构不仅保证了其保暖性能，具有疏水性质的表面还能在水下捕获住空气，保证其在水下也有优异的保暖隔热性能，这让北极熊成为一种主要生活在浮冰上的“海洋生物”。

　　气凝胶——密度最小的固体材料

　　科学家用超临界干燥技术把果冻（水凝胶）中的水干燥制造出了气凝胶（aerogel），它看起来像一朵云又被称为“固态的烟”。一立方米的气凝胶仅重3.55 千克，是密度最小的固体材料。如今，气凝胶的种类很多，硅、碳、硫、金属及金属氧化物等任何物质的凝胶只要可以经干燥除去内部溶剂，又可保持其形状不变的，且产物具有高孔隙率、低密度的则皆可以称之为气凝胶。

　　空气是最好的保温材料，气凝胶内部90%以上都是气体所以拥有出色的绝热效果。所以为了表演气凝胶的隔热性能时，把气凝胶放在娇嫩的花朵下面，即便用1500℃的气罐喷枪加热，花朵依然完好无损。

　　用气凝胶作为隔热服装，最早出现在宇航服上，这种用二氧化硅基体气凝胶与聚氯乙烯、聚酰亚胺等聚合物融合成的气凝胶改性软膜可在零下196℃到300℃的极端环境下长时间发挥隔热保温性能。

　　但是气凝胶透气性能差，做成薄膜不透气；易碎，做成气囊很容易坍塌失去保温性能；而将气凝胶粉末融入纤维制成的气凝胶改性纤维，隔热效果也不理想。因此我们还很难看到气凝胶做出性能特别优异的普通衣物。

　　结实、轻薄、保暖的仿北极熊毛

　　浙江大学的柏浩教授、高微微副教授参考北极熊毛的特殊结构，将气凝胶纤维包裹在可拉伸的外层里，做出了性能优秀的新型纤维（EAF）。这项成果已经发表在《科学》杂志上。

　　这种纤维的芯是一种高分子气凝胶，内部整齐排列直径10~30 微米长的小孔来保存空气。外皮是用热塑性聚氨酯弹性体（TPU）来包裹里面的气凝胶。这种纤维内部的空隙率高达90% 以上，隔热性能优异。由于外皮的保护，纤维拉伸10 倍也能回弹，而传统气凝胶纤维只能拉伸2%。

　　用这种新型纤维编织的毛衣厚度只有羽绒服的五分之一，保暖性能比羽绒服还好，作为织物其染色性能和耐水洗性能都不错。而且在纤维开发过程中就考虑到大规模生产的便利性，通过简单的两步冷冻纺丝和封装工艺就能进行大规模生产。

　　参考文献：DOI 10.1126/science.adj8013

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