永乐国际官网平台

记者带你走进保暖“黑科技”前沿—— 薄衫可耐

发布人: 永乐国际官网平台 来源: 永乐国际官网平台登录 发布时间: 2021-01-13 19:48

  “霸王级”寒潮的余威还未散去,新一轮冷空气紧跟着南下“速冻”浙江。据最新气象资料分析,受两股冷空气先后影响,近几天浙江将有持续降温、严重冰冻、大风和弱雨(雪)天气。

  寒潮恰逢“三九”天,北风呼呼地刮在脸上,怎一个“冷”字了得!上班上学上,大家的保暖工作做足了吗?是不是想有一套暖和得像在被窝里一样的“黑科技”衣服呢?

  如今,“黑科技”走进了现实。本报记者专访了浙江大学化学工程与生物工程学院教授柏浩、信息电子工程学院教授林时胜和高系教授高超,带大家走进保暖科学的最前沿。

  北极的冬季寒冷而漫长,大部分地区的地表最低气温可低至-50℃。生活在这里的北极熊,没有暖气,没有被窝,只能靠着一身厚实的“貂皮大衣”,与极地的严寒抵抗。

  科学研究发现,北极熊与棕熊是“兄弟”,有着共同的祖先。脱下身上那层白毛,北极熊的皮肤其实是黑色的。完全罩住北极熊的稠密白毛,能高效地将熊身上的热量与户外的冰天雪地隔离开来,它的奥秘在哪里?

  浙江大学化学工程与生物工程学院教授柏浩介绍,北极熊毛的手感近似人类发质粗密的头发。在电子显微镜下,北极熊毛的横截面如同一根管道,里面着多个孔洞。这种结构对光线里面的红外线,有非常好的反射作用。同时,在寒冷的天气里面,它能够封存住大量的空气,高效地储存热量,并输送到北极熊的体表。

  在北极熊毛的下,柏浩团队研发出一种叫“冷冻纺丝”的技术。将蚕丝溶解于水中,制成含水量达95%的纺丝溶液;再用注射器将纺丝溶液慢慢挤入冷冻装置,形成直径约为200微米的单丝纤维;最后通过冷冻干燥,令纤维中的冰晶,留下众多有序的片层孔。

  导热率是材料热传导能力大小的物理量,导热率越低越保暖。据了解,静止空气的导热率是26,天然北极熊毛的导热率是27左右,已经非常接近静止空气的导热率。而柏浩团队制备的仿生纤维,导热率最低有19。“这种有序多孔纤维材料,和北极熊的毛一样,具有大量大小均匀的空洞,能够外部的冷空气,具有高效的隔热保温能力。”柏浩说。

  柏浩还告诉记者,仿生纤维的95%是空气,蚕丝只占到5%。和羽绒服相比,仿生纤维的物料成本相对低廉。

  在保温的基础上,仿生纤维可以增添更多冬天急需的功能。柏浩团队将碳纳米管加入仿生纤维,制造出电加热织物。“在5伏的电压下,电加热织物的温度可以在一分钟内从24℃升高到36℃。也就是说,它既可以实现被动隔热,也可以实现主动产热。” 柏浩说,团队近期还研发了耐高温隔热织物和水下隔热织物,探索仿生纤维的更多可能性。

  从名不见经传的小众品牌,到大名鼎鼎的头部品牌,“石墨烯”一词频频出现在各类保温产品的宣传语里,成为“黑科技”的代名词。石墨烯是什么?为什么它能成为“香饽饽”?

  和金刚石一样,石墨是由碳元素构成的物质。金刚石是地表最硬的天然宝石,而石墨则恰恰相反,与已知最软的矿物滑石处于同一个莫氏硬度范围。石墨烯是一层碳原子形成的薄片,原子之间形成一个六角形的环,环环相连形成蜂窝状的平面,一层层叠加起来就是石墨。用铅笔轻轻在纸上划过,留下来的就是几层甚至几十层的石墨烯。

  作为单个原子层的材料,石墨烯的特点之一就是薄,堪称目前世界上最薄的材料。它只有一个原子那么厚,约0.3纳米,大约六万层石墨烯才能构成一根头发丝的厚度。轻薄、强韧、导电、导热……石墨烯这些特性赋予人们很多的想象空间。

  “石墨烯了原子级别厚度材料的研究,让人类对新材料的研究进入到量子化的程度。”浙江大学信息电子工程学院教授林时胜说。

  制造石墨烯,要让石墨变薄。我们小时候肯定有这样的经历,当在纸上写错字的时候,我们会用透明胶带粘掉错别字。2004年,英国曼彻斯特大学的海姆和诺沃肖洛夫,用透明胶将一块石墨片反复粘贴与撕开,石墨片的厚度逐渐减小,最终形成了厚度只有0.335纳米的石墨烯。这是世界上第一次得到单层的石墨烯。

  林时胜团队专注石墨烯研究多年。日前,一款蓝牙智能温控石墨烯围巾走出了实验室。据介绍,围巾内衬中的石墨烯厚膜可加热至30℃至60℃,内置移动电源放置区可以循环充电,通过手机端APP可以将围巾的温度精准控制在适宜的温度。

  “事实上,石墨烯是不会自己发热的。只有在电流通过时,电子会在石墨烯内迅速跑动,与碳原子进行碰撞,引起碳原子的震动,向外辐射红外线,从而给人体取暖。”林时胜说,因此我们穿石墨烯保暖服的同时,还必须连接一个外置电源给保暖服“充电”。

  林时胜告诉记者,电子在石墨烯内的运动速度接近光速的300分之一,辐射面积大,热传导能力强,因此石墨烯的发热效率非常高。在热得快的同时,石墨烯的热量分布还非常均匀,不会存在局部的热点。同时,石墨烯的续航能力强,能够在最小用电量的同时发出最大的热量。例如使用蓝牙智能控温,可以使石墨烯围巾维持在42℃长达11至12小时。此外,石墨烯通电后发射的是波长8微米至14微米的远红外光波,契合人体红外波段,像是微型的便携式“理疗仪”,能促进人体的血液循环。

  石墨烯围巾、石墨烯毛毯、石墨烯保暖服……未来会有更多的石墨烯产品进入人们的日常生活,那时穿上不同的石墨烯产品,就可以地控制相应部位的温度。“我们希望通过石墨烯与智能芯片链接,实现一种智能化温控的系统,使温度调节系统便捷化、智能化、芯片化、人性化。”林时胜说,石墨烯智能温控系统,包括散热和加热,不仅仅在于服装,未来还可以应用于新能源汽车、手机、5G基站等广泛领域。

  当前市场上打着“高科技”名号的保暖衣物,让人眼花缭乱,难以辨别。这其中既有真科学,也有“”。

  浙江大学高系教授高超认为,当前市场上不少产品只打概念,没有内在。比如有些所谓的石墨烯保暖服内部其实是金属丝,同时缺乏良好的控温能力,可能因为某一点温度过高,而对身体产生烫伤的风险。

  “我们早在2019年就拥有了纺丝级单层氧化石墨烯十吨生产线,获得了国际认证。正是因为有了生产经验,哪些产品有问题,一测试就能看出来。”高超团队研发的健康多功能石墨烯复合纤维,如今已经应用在毛衣等衣物上。这件毛衣能够“锁”住人体散发的热量,让穿着者的体感温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够了,根本不需要厚重的羽绒服。”高超说。

  高超指出,研究表明,经氧化后的石墨烯表面含有大量的含氧官能团,可产生活性氧簇(ROS)引起氧化应激,细菌代谢进程,从而或细菌。除此之外,团队生产的石墨烯产品还带有防紫外线、抗静电、负离子发生等功能。

  气凝胶作为一种纳米多孔结构材料的固体新材料,具有超轻、隔热、透明、保温、防火等优异特性,曾获得吉尼斯纪录“世界上最轻的固体”称号。

  由于气凝胶中一般80%以上是空气,所以有非常好的隔热效果,一寸厚的气凝胶相当20块至30块普通玻璃的隔热功能。同时,气凝胶在航天探测上也有多种用途,在俄罗斯“和平”号空间站和美国“火星探者”的探测器等都有用到这种新型保暖材料。

  目前,我国已经有科研人员利用凯夫拉纤维研制出了一种气凝胶。相比普通的保温材料,它可以在极低与极高的温度下长时间发挥隔热保温性能。

  数据显示,新材料能在零下196摄氏度至300摄氏度的范围内发挥防寒隔热作用。在零下60摄氏度中,其保温能力是棉纤维的2.8倍。与中空纤维与超细纤维这两种市场上最好的人造保温纤维材料相比,新材料的保温性能也明显更优。此外,该气凝胶纤维还具有优异的化学稳定性,可进行染色、疏水化、化学镀等多种改性且不损伤气凝胶主体骨架结构。

  “气凝胶质量轻、保温性能好的特点同样契合了我们冬日保暖服装的要求,但目前由于多种原因仅应用于工业,没有规模化民用,其安全性和有效性仍有待验证。”高超说。(见习记者 何冬健 记者 林婧)

永乐国际官网平台,永乐国际官网平台登录,永乐国际官网平台网站