蚕丝与冰的艺术——仿北极熊毛的新型热隐身织物

北极圈严寒气温下,北极熊们行动自如。漫长的进化给了它们对抗严酷气候的全副武装。其中一件装备——“白色毛衣”引起了科学家们的注意。与一般动物的毛发不同,北极熊的毛发更像是一根根空心的“管”,其中心是一块海绵状的区域,有着许多小孔。这些孔内贮存了大量静止的空气,大大减少了北极熊身体热量的流失。

受此启发,浙江大学柏浩研究团队研发了一种仿北极熊毛的新型绝热纤维。这种纤维主要成分为蚕丝蛋白,利用“冷冻纺丝”法制备而成。实验装置中,蚕丝蛋白溶液从针头挤出,缓缓穿过一个低温的铜环。此时,溶液中的水受冷结冰,冰晶将蚕丝蛋白挤压到相邻的冰晶中间,在纤维内部产生了复杂的结构。之后这些纤维经过冷冻干燥,冰晶因升华而除去,留下了具有多孔结构纤维。

这种具有多孔结构的纤维展现出优异的隔热性能,热导率(22 mW·m−1·K−1)甚至比天然北极熊毛(27 mW·m−1·K−1)还低。研究团队给兔子穿上此纤维纺织的布料,在红外相机下实现了兔子的“热隐身”。

众所周知,热量的传递主要有三种形式:热传导、热对流和热辐射。仿生纤维的优异性能来源于这三种途径的共同作用。一方面,大量的孔道使得空气纤维内部能够容纳很多空气,而空气的热导率非常低,这使得热量热传导损失大大减小。另一方面,复杂的孔道结构使得空气流动受限,降低了对流传热。此外,多层的孔壁结构能够反射热辐射,进一步增强的纤维的保温性能。

此外,在原材料中加入碳纳米管后,此仿生纤维具有了电加热功能。在5V电压下,材料的温度能够在一分钟内从24℃上升至36℃。不仅实现了被动隔热,而且还能主动加热。

这种仿生纤维将在各领域有着巨大的应用潜力,同时给人们设计制造隔热材料、智能服装提供了新的思路。相关文章在线发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201706807)上。

Speak Your Mind

*