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仿生 | 薄薄一层丝蛋白 抗寒堪比北极熊

2018-02-27 14:33:27 目录:奇思妙想 领域:生物学 仿生

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天寒地冻的冰雪世界里,北极熊们自带一身最抗寒“皮草”繁衍生息。浙江大学化学工程与生物工程学院柏浩教授团队受此启发,用独特的“冻纺”术纺出一根根人造纤维,隔热性能可与北极熊的毛发媲美。穿上这身人造纤维编织成的“毛衣”,小兔子成功“逃”过了红外相机的追踪。

 

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相关论文A Thermally Insulating Textile Inspired by Polar Bear Hair (仿北极熊毛的隔热织物)发表在2月14日上线的Advanced Materials(《先进材料》)后,《自然》、《新科学家》和美国化学会等陆续将此作为科学研究亮点进行了报道

人们很早就知道,能在零下几十度的极地世界成为一方“诸侯”,北极熊一身轻盈油亮的毛发功不可没。这身“毛衣”将热量紧紧的锁在北极熊的体表,创造了温暖舒适的微环境。穿着这件“毛衣”,北极熊即使突然跳进冰水捕食,也绝不打一个喷嚏。

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图:电镜下的天然北极熊毛的微观结构

 

 北极熊的毛,有可能是自然界最抗寒的保温材料。每根北极熊的毛大约15厘米长,直径大概在200微米左右,和人的头发差不多粗细。放在电镜下观察,你会惊叹于大自然精巧的结构:它是一根中空而半透明的小管,孔径15-20微米左右。小孔周围还有许多更为狭长的小孔,也沿着同一方向伸展。

“许许多多小孔‘封装’着空气,空气静止了,热对流就无法产生,减少了热量的流失”柏浩教授解释,这与我们穿衣保暖是同一个道理,层层的衣服将空气包裹在身体周围,产生保温效果。北极熊的毛几乎不泄露热量,如果户外用红外相机拍摄它们,是徒劳的。

柏浩教授平时很爱看北极熊的纪录片,他同时是一位仿生智能材料专家,赞叹大自然的同时,他还在琢磨:我能不能做出一件北极熊的“毛衣”?

多孔材料用于保温在生活中并不稀奇,比如用于保温的泡沫塑料,也是一种多孔结构。柏浩团队面临的挑战是,他们想做出世界上独一无二的仿制“毛”,用于穿戴,这要求除了微观结构要逼真外,其材质、强度、舒适度等都要达到可穿戴要求。

经过一年多尝试,团队开发出一种“冻纺”术,用天然的蚕丝蛋白纺成纤维,其结构与隔热功能都可与北极熊的毛媲美。

 

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图:人造北极熊毛微观电镜结构

 

在玉泉校区的实验室里,记者看到了这台自动“纺纱机”。浓度为5%的蚕丝蛋白水溶液,被针头缓缓地注射穿过一个冰冷的铜环,水溶液中的水遇冷瞬间凝成了冰晶,水溶液被重新“塑形”成为连续的纤维。在这个过程中,冰晶发挥了“塑形”的功能,不但形成了纤维的“骨架”,也在纤维内部形成了有序的空间。这些纤维经过冷冻干燥,冰晶蒸发了,便留下一条条由蚕丝蛋白组成的纤维,外形酷似北极熊的毛。

论文第一作者、硕士二年级的崔滢同学用电镜拍摄了这根“仿制毛”的微观结构:纤维内部层层有序地分布着狭长的小孔。“通常来说,多孔材料的质地会比较脆,而这种层层有序的分布,赋予了材料一定的强度。”柏浩认为,这是材料实现纺织和穿戴的必要条件。

 

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图:具有热隐身功能的仿生隔热织物

 

崔滢用镊子穿针引线,将人造纤维织成一块布。所用的蚕丝蛋白的量,相当于两颗蚕茧。课题组请一只小白兔当模特,第一个试穿这种材料。在-10℃到40℃的环境中,科学家用红外相机给小兔子拍照。照片上,小兔子头部的轮廓清晰可见,而穿着“毛衣”的身躯不见了,实现了完美热隐身!原来,小兔子体表的温度被锁在了“毛衣”里,红外相机无法捕捉到流失的热量。

课题组还对天然北极熊毛与人造北极熊毛的导热率进行了对比,天然北极熊毛的导热率是27,接近于静止的空气26,而“山寨”版仿生纤维的导热率最低为19。导热率越低,表示隔热性能越好。

 

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图:可穿戴隔热织物的大量制备

 

论文一出,国际上许多媒体对这项研究产生了浓厚的兴趣。Nature杂志在Highlight栏目专门评述了这一进展。美国化学会的记者,则构想了一幅生动的画面:披着北极熊的“毛”的小兔子,偷萝卜,偷蔬菜,完美躲过了相机的监视……

这一仿生隔热纤维展示了美好的应用前景:未来的冬天,我们或许可以告别厚重的外套,批一件薄如蝉翼的“毛衣”便可出门;野外作战的士兵,在“热隐身衣”的保护下,可成功躲过红外探测。

 

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“在隔热功能上仿生北极熊,这只是我们研究的第一步。”柏浩说,仿生的终极目的,并不是制造出和自然一模一样的产品,而是在大自然的启发下,研发设计功能更为强大的材料。课题组目前已经做出一些探索:比如,在纤维中加入导电的碳纳米管,就可以做出用于户外的便携式电热毯,充电数秒,温度就可以上升10摄氏度。不但隔热,还是“秒热”。“此外,我们还在研发用于高温隔热的功能材料。”柏浩说。

该项研究得到了国家自然科学基金和国家“青年千人”计划的资助。

 

论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201706807/full 

报道转自:浙大学术委员会   求是风采

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