Science：浙大柏浩/高微微团队开发仿生北极熊毛衣，轻便保暖超越羽绒服

撰文丨王聪

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

气凝胶是目前最好的保温材料之一，它们已经被用于建筑物的绝缘材料。但是，由气凝胶制成的纤维通常比较脆弱，因此，难以编织成可穿戴的纺织品，而且，其在洗涤后和潮湿的环境中容易失去保温性能。

2023年12月21日，浙江大学 化学工程与生物工程学院柏浩教授团队和高分子科学与工程学系高微微副教授团队合作，在国际顶尖学术期刊Science上发表了题为：Biomimetic, knittable aerogel fiber for thermal insulation textile 的研究论文。

该研究开发了一种涂有聚氨酯的气凝胶人造纤维，其模拟了北极熊毛的多孔结构，这种仿生北极熊毛在厚度只有羽绒服五分之一的情况下，具有相同的保暖性，而且具有弹性、可清洗、耐磨。即使在拉伸、洗涤和染色后，仍然保持其保温性能。

论文共同通讯作者高微微副教授表示，该研究开发的这种人造纤维可能有一天会被用于需要轻便耐用的服装，例如运动服、军装和太空服等，而无需使用动物毛皮或羽绒。

在这项研究中，研究团队从北极熊毛发中寻找灵感，北极熊的每根毛发的核心都有数十个微小的中空多孔结构，可以有效防止热量散失，从而让北极熊在严酷的北极环境中保持温暖。

研究团队发现，北极熊毛的保暖性不仅仅是中孔多孔结构这么简单，这些多孔内核还被一个致密的外壳所包裹， 外壳防水、柔软且坚韧。这种核-壳结构才是北极熊毛具有如此优异的保暖性能的核心。

早在2018年，研究团队就使用冷冻纺丝技术从蚕丝蛋白溶液中制取了模拟北极熊毛的多孔结构的气凝胶人造纤维。这一次，他们在上述气凝胶人造纤维上涂上了一层热塑性聚氨酯弹性材料（TPU） ，用以模拟北极熊毛的核-壳结构。

气凝胶不能被拉伸超过自身长度的2%而不被损坏，而该研究开发的这种仿生北极熊毛的气凝胶人造纤维在拉伸到自身长度的10倍后仍能反弹到原来的长度，这表明由于其弹性涂层，它比以前的气凝胶纤维具有更高的强度何弹性。在被拉伸到自身长度两倍下，反复10000次，该纤维的保暖性能也没有改变，而且当它被浸泡在水中、干燥或染色时，其结构或形状也没有改变。

气凝胶人造纤维的封装设计与制备

北极熊毛发的横截面（左），以及气凝胶人造纤维（右）

接下来，研究团队使用这种气凝胶人造纤维编织了一件气凝胶毛衣，并将其与羽绒服、羊毛毛衣和长袖棉质上衣的隔热性能进行了比较。研究团队招募了一名志愿者 （论文共同作者张子倍） ，他在一个温度为零下20℃的恒温冷库中分别穿着这四件衣服，并测量了这四件衣服的表面温度，以评估它们的保温效果。

气凝胶人造纤维编织的气凝胶毛衣

结果显示，尽管这件气凝胶毛衣的厚度只有羽绒服的五分之一，但它在所有服装中具有最好的保暖性，在零下20℃的恒温冷库中穿着时，其平均表面温度为3.5°C，而羽绒服的平均表面温度为3.8°C，棉质上衣和羊毛衫的平均表面温度分别为10.8°C和7.2°C。表面温度越低说明人体温度向外流失越少、保暖性越好。因此，这款气凝胶毛衣的保暖性超过了羽绒服、羊毛毛衣和长袖棉质上衣。此外， 气凝胶毛衣的保暖性在洗衣机中洗涤几次后几乎没有降低，这表明它可以足够耐穿。

气凝胶人造纤维编织的气凝胶毛衣具有优异的保暖性

研究团队： 通讯作者柏浩教授（左四）、第一作者吴明瑞（左五）

这项研究代表着创造令人兴奋的新型轻便保暖纺织材料的进步，但合成这种仿生北极熊毛服装距离出现在主流服装店还有很长的路要走。目前制造这种人造纤维的方法太慢，还难以进行大规模生产。论文通讯作者柏浩教授表示， 目前团队正在努力解决这个问题，并计划提高其可扩展性。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj8013