由脂肪和毛皮構(gòu)成的保溫層，使北極熊在嚴寒的北極得以生存。在工程師眼中，北極熊的毛發(fā)是理想的隔熱材料，它可以像天然材料一樣鎖住熱量。如今，中國科學(xué)家已經(jīng)研制出這樣一種保溫材料，仿照單根北極熊毛發(fā)結(jié)構(gòu)，并將其擴展到由許多毛發(fā)組成的塊體材料上，該項研究可能在未來建筑和航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。成果于發(fā)表在Cell Press細胞出版社旗下化學(xué)旗艦期刊Chem上。
論文通訊作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)系教授俞書宏說：“北極熊的毛發(fā)經(jīng)過進化完善，使其具有在寒冷潮濕的環(huán)境中保溫的效果，這使它成為合成保溫材料的理想模型。通過組裝人工合成的碳管纖維，我們可以設(shè)計出一種具有彈性的輕質(zhì)材料，這種材料在使用期限內(nèi)不會明顯老化，而且能吸收熱量。”
北極熊毛發(fā)的特殊結(jié)構(gòu)幫助它在極寒的北極生存下來，也是仿生材料研究的熱門領(lǐng)域。（圖：崔劼）
與人類或其他哺乳動物的毛發(fā)不同，北極熊的毛發(fā)是中空的。在顯微鏡下放大后，每一根毛發(fā)都存在空腔結(jié)構(gòu)。這些空腔的形狀和間距形成了它們獨特的白色外殼（實際北極熊毛是透明的，光在內(nèi)部發(fā)生反射 ，引起發(fā)光，看起來像白色）。同時，也賦予了它們顯著的保溫性和疏水性，適宜人工隔熱材料效仿。
論文圖形摘要
“中空的內(nèi)核限制了熱對流，中空結(jié)構(gòu)同樣也使單根毛發(fā)變得輕質(zhì)，這是材料科學(xué)中最突出的優(yōu)勢之一，”中科大副教授劉建偉說。為了模擬這種結(jié)構(gòu)，他們與中科大近代力學(xué)系倪勇教授團隊合作，模擬數(shù)百萬根中空碳管，每根碳管相當(dāng)于一根北極熊毛發(fā)，并將它們纏繞成像通心粉一樣的氣凝膠。??
圖注：模仿了北極熊毛發(fā)的空心結(jié)構(gòu)的碳管，其構(gòu)筑的氣凝膠可制成可壓縮的防水保溫材料（照片由作者提供）
與其他氣凝膠和保溫材料相比，他們發(fā)現(xiàn)受北極熊啟發(fā)仿生制備的空心管表現(xiàn)出輕質(zhì)、隔熱，也幾乎不受水的影響——這是一個使北極熊既能在游泳時保持溫暖，又能在潮濕條件下保持絕緣性的便利功能。另一個好處是，這種新材料與北極熊相比，具有超彈性，這就進一步提高了其在工程方面的適用性。???????????
研究人員聚焦于相關(guān)工業(yè)用途，下一步準(zhǔn)備將目前保溫材料的生產(chǎn)從厘米尺度的生產(chǎn)擴展到米級尺度。俞教授表示，“由于實驗室設(shè)備的限制，我們合成的碳管材料目前尚不容易宏量制備，但我們預(yù)期將能夠突破尺度的限制，并探索其在航空航天領(lǐng)域等極端條件下的應(yīng)用”。
論文主要作者
通訊作者?俞書宏?教授
俞書宏，安徽合肥廬江縣人，1967年8月生。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，教育部“長江學(xué)者獎勵計劃”長江特聘教授（2006年-）、國家杰出青年基金獲得者（2003年-）、中國科學(xué)院“引進國外杰出人才”（2002年）、中央七部委“新世紀百千萬人才工程”國家級人選（2006-）、國家重大科學(xué)研究計劃項目首席科學(xué)家（2010-2014）、英國皇家化學(xué)會會士（2013-）、 國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金學(xué)術(shù)帶頭人（2016-）、科技部創(chuàng)新人才推進計劃重點領(lǐng)域創(chuàng)新團隊負責(zé)人（2015-）。
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論文標(biāo)題：
Biomimetic Carbon Tube Aerogel Enables Super-Elasticity and Thermal Insulation
論文網(wǎng)址：
https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(19)30202-5
DOI:
https://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
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