保暖“黑科技”：藍牙智能溫控石墨烯圍巾
閱讀次數(shù)：836 更新時間：2021-01-16
寒潮恰逢“三九”天，北風(fēng)呼呼地刮在臉上，怎一個“冷”字了得！上班上學(xué)路上，大家的保暖工作做足了嗎？是不是想有一套暖和得像在被窩里一樣的“黑科技”衣服呢？
如今，“黑科技”走進了現(xiàn)實。本報記者專訪了浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院教授柏浩、信息電子工程學(xué)院教授林時勝和高分子系教授高超，帶大家走進保暖科學(xué)的最前沿。
披上“北極熊毛”
北極的冬季寒冷而漫長，大部分地區(qū)的地表最低氣溫可低至-50℃。生活在這里的北極熊，沒有暖氣，沒有被窩，只能靠著一身厚實的“貂皮大衣”，與極地的嚴(yán)寒抵抗。
科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，北極熊與棕熊是“同門兄弟”，有著共同的祖先。脫下身上那層白毛，北極熊的皮膚其實是黑色的。完全罩住北極熊的稠密白毛，能高效地將熊身上的熱量與戶外的冰天雪地隔離開來，它的奧秘在哪里？
柏浩團隊制備的仿生纖維
浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院教授柏浩介紹，北極熊毛的手感近似人類發(fā)質(zhì)粗密的頭發(fā)。在電子顯微鏡下，北極熊毛的橫截面如同一根管道，里面充斥著多個孔洞。這種結(jié)構(gòu)對光線里面的紅外線，有非常好的反射作用。同時，在寒冷的天氣里面，它能夠封存住大量的空氣，高效地儲存熱量，并輸送到北極熊的體表。
在北極熊毛的啟發(fā)下，柏浩團隊研發(fā)出一種叫“冷凍紡絲”的技術(shù)。將蠶絲溶解于水中，制成含水量達95%的紡絲溶液；再用注射器將紡絲溶液慢慢擠入冷凍裝置，形成直徑約為200微米的單絲纖維；最后通過冷凍干燥，令纖維中的冰晶升華，留下眾多有序的片層孔。
導(dǎo)熱率是材料熱傳導(dǎo)能力大小的物理量，導(dǎo)熱率越低越保暖。據(jù)了解，靜止空氣的導(dǎo)熱率是26，天然北極熊毛的導(dǎo)熱率是27左右，已經(jīng)非常接近靜止空氣的導(dǎo)熱率。而柏浩團隊制備的仿生纖維，導(dǎo)熱率最低有19?！斑@種有序多孔纖維材料，和北極熊的毛一樣，具有大量大小均勻的空洞，能夠隔絕外部的冷空氣，具有高效的隔熱保溫能力?！卑睾普f。
柏浩還告訴記者，仿生纖維的95%是空氣，蠶絲只占到5%。和羽絨服相比，仿生纖維的物料成本相對低廉。
在保溫的基礎(chǔ)上，仿生纖維可以增添更多冬天急需的功能。柏浩團隊將碳納米管加入仿生纖維，制造出電加熱織物?！霸?伏的電壓下，電加熱織物的溫度可以在一分鐘內(nèi)從24℃升高到36℃。也就是說，它既可以實現(xiàn)被動隔熱，也可以實現(xiàn)主動產(chǎn)熱。” 柏浩說，團隊近期還研發(fā)了耐高溫隔熱織物和水下隔熱織物，探索仿生纖維的更多可能性。
裹上石墨烯圍巾
從名不見經(jīng)傳的小眾品牌，到大名鼎鼎的頭部品牌，“石墨烯”一詞頻頻出現(xiàn)在各類保溫產(chǎn)品的宣傳語里，成為“黑科技”的代名詞。石墨烯是什么？為什么它能成為“香餑餑”？
和金剛石一樣，石墨是由碳元素構(gòu)成的物質(zhì)。金剛石是地表最硬的天然寶石，而石墨則恰恰相反，與已知最軟的礦物滑石處于同一個莫氏硬度范圍。石墨烯是一層碳原子形成的薄片，原子之間形成一個六角形的環(huán)，環(huán)環(huán)相連形成蜂窩狀的平面，一層層疊加起來就是石墨。用鉛筆輕輕在紙上劃過，留下來的就是幾層甚至幾十層的石墨烯。
作為單個原子層的材料，石墨烯的特點之一就是薄，堪稱目前世界上最薄的材料。它只有一個原子那么厚，約0.3納米，大約六萬層石墨烯才能構(gòu)成一根頭發(fā)絲的厚度。輕薄、強韌、導(dǎo)電、導(dǎo)熱……石墨烯這些特性賦予人們很多的想象空間。
“石墨烯開啟了原子級別厚度材料的研究，讓人類對新材料的研究進入到量子化的程度?！闭憬髮W(xué)信息電子工程學(xué)院教授林時勝說。
制造石墨烯，要讓石墨變薄。我們小時候肯定有這樣的經(jīng)歷，當(dāng)在紙上寫錯字的時候，我們會用透明膠帶粘掉錯別字。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的海姆和諾沃肖洛夫，用透明膠將一塊石墨片反復(fù)粘貼與撕開，石墨片的厚度逐漸減小，最終形成了厚度只有0.335納米的石墨烯。這是世界上第一次得到單層的石墨烯。
“事實上，石墨烯是不會自己發(fā)熱的。只有在電流通過時，電子會在石墨烯內(nèi)迅速跑動，與碳原子進行碰撞，引起碳原子的震動，向外輻射紅外線，從而給人體取暖?！绷謺r勝說，因此我們穿石墨烯保暖服的同時，還必須連接一個外置電源給保暖服“充電”。
林時勝告訴記者，電子在石墨烯內(nèi)的運動速度接近光速的300分之一，輻射面積大，熱傳導(dǎo)能力強，因此石墨烯的發(fā)熱效率非常高。在熱得快的同時，石墨烯的熱量分布還非常均勻，不會存在局部的熱點。同時，石墨烯的續(xù)航能力強，能夠在最小用電量的同時發(fā)出最大的熱量。例如使用藍牙智能控溫，可以使石墨烯圍巾維持在42℃長達11至12小時。此外，石墨烯通電后發(fā)射的是波長8微米至14微米的遠(yuǎn)紅外光波，契合人體紅外波段，像是微型的便攜式“理療儀”，能促進人體的血液循環(huán)。
石墨烯圍巾、石墨烯毛毯、石墨烯保暖服……未來會有更多的石墨烯產(chǎn)品進入人們的日常生活，那時穿上不同的石墨烯產(chǎn)品，就可以自由地控制相應(yīng)部位的溫度?！拔覀兿Ｍㄟ^石墨烯與智能芯片鏈接，實現(xiàn)一種智能化溫控的系統(tǒng)，使溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)便捷化、智能化、芯片化、人性化。”林時勝說，石墨烯智能溫控系統(tǒng)，包括散熱和加熱，不僅僅在于服裝，未來還可以應(yīng)用于新能源汽車、手機、5G基站等廣泛領(lǐng)域。
辨別保暖科學(xué)真?zhèn)?/span>
當(dāng)前市場上打著“高科技”名號的保暖衣物，讓人眼花繚亂，難以辨別。這其中既有真科學(xué)，也有“偽科學(xué)”。
浙江大學(xué)高分子系教授高超認(rèn)為，當(dāng)前市場上不少產(chǎn)品只打概念，沒有內(nèi)在。比如有些所謂的石墨烯保暖服內(nèi)部其實是金屬絲，同時缺乏良好的控溫能力，可能因為某一點溫度過高，而對身體產(chǎn)生燙傷的風(fēng)險。
“我們早在2019年就擁有了紡絲級單層氧化石墨烯十噸生產(chǎn)線，獲得了國際認(rèn)證。正是因為有了生產(chǎn)經(jīng)驗，哪些產(chǎn)品有問題，一測試就能看出來?！备叱瑘F隊研發(fā)的健康多功能石墨烯復(fù)合纖維，如今已經(jīng)應(yīng)用在毛衣等衣物上。這件毛衣能夠“鎖”住人體散發(fā)的熱量，讓穿著者的體感溫度快速上升三至四度。“就算在寒冷的冬天，一件毛衣加上一件外套就足夠了，根本不需要厚重的羽絨服?！备叱f。
高超指出，研究表明，經(jīng)氧化后的石墨烯表面含有大量的含氧官能團，可產(chǎn)生活性氧簇（ROS）引起氧化應(yīng)激，擾亂細(xì)菌代謝進程，從而抑制或殺死細(xì)菌。除此之外，團隊生產(chǎn)的石墨烯產(chǎn)品還帶有防紫外線、抗靜電、負(fù)離子發(fā)生等功能。
在破除“偽科學(xué)”迷信的同時，真科學(xué)在科研領(lǐng)域大放異彩。
氣凝膠作為一種納米多孔結(jié)構(gòu)材料的固體新材料，具有超輕、隔熱、透明、保溫、防火等優(yōu)異特性，曾獲得吉尼斯紀(jì)錄“世界上最輕的固體”稱號。
由于氣凝膠中一般80%以上是空氣，所以有非常好的隔熱效果，一寸厚的氣凝膠相當(dāng)20塊至30塊普通玻璃的隔熱功能。同時，氣凝膠在航天探測上也有多種用途，在俄羅斯“和平”號空間站和美國“火星探路者”的探測器等都有用到這種新型保暖材料。
目前，我國已經(jīng)有科研人員利用凱夫拉纖維研制出了一種氣凝膠。相比普通的保溫材料，它可以在極低與極高的溫度下長時間發(fā)揮隔熱保溫性能。
數(shù)據(jù)顯示，新材料能在零下196攝氏度至300攝氏度的范圍內(nèi)發(fā)揮防寒隔熱作用。在零下60攝氏度環(huán)境中，其保溫能力是棉纖維的2.8倍。與中空纖維與超細(xì)纖維這兩種市場上最好的人造保溫纖維材料相比，新材料的保溫性能也明顯更優(yōu)。此外，該氣凝膠纖維還具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，可進行染色、疏水化、化學(xué)鍍等多種改性且不損傷氣凝膠主體骨架結(jié)構(gòu)。
“氣凝膠質(zhì)量輕、保溫性能好的特點同樣契合了我們冬日保暖服裝的要求，但目前由于多種原因僅應(yīng)用于工業(yè)，沒有規(guī)模化民用，其安全性和有效性仍有待驗證?！备叱f。
