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浙江新闻客户端
通讯员周炜卢绍庆记者曾福泉
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。
相关论文AThermallyInsulatingTextileInspiredbyPolarBearHair（仿北极熊毛的隔热织物）发表在2月14日上线的《先进材料》（AdvancedMaterials）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。
北极熊的抗寒术
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。
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。
电镜下的天然北极熊毛的微观结构
“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”？
发明“冻纺”术
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。
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。
△视频显示了“冻纺”术过程
人造北极熊毛微观电镜结构
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。
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。
具有热隐身功能的仿生隔热织物
下一步，超越北极熊
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。
柏浩（左）和崔滢在实验室
“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。
据介绍，论文的其他作者还包括本科生龚华鑫、硕士生王玉洁、博士生李德文。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。
（部分图片由崔滢提供）