保暖“黑科技”：藍(lán)牙智能溫控石墨烯圍巾
閱讀次數(shù)：505 更新時(shí)間：2021-01-16
寒潮恰逢“三九”天，北風(fēng)呼呼地刮在臉上，怎一個(gè)“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(jìn)了現(xiàn)實(shí)。本報(bào)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(shí)勝和高分子系教授高超，帶大家走進(jìn)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(zhǎng)，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(méi)有暖氣，沒(méi)有被窩，只能靠著一身厚實(shí)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(shí)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(kāi)來(lái)，它的奧秘在哪里？
柏浩團(tuán)隊(duì)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(gè)孔洞。這種結(jié)構(gòu)對(duì)光線里面的紅外線，有非常好的反射作用。同時(shí)，在寒冷的天氣里面，它能夠封存住大量的空氣，高效地儲(chǔ)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(tuán)隊(duì)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(dá)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(guò)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(tuán)隊(duì)制備的仿生纖維，導(dǎo)熱率最低有19。“這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。”柏浩說(shuō)。
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(duì)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(tuán)隊(duì)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(shuō)，它既可以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)隔熱，也可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)產(chǎn)熱。” 柏浩說(shuō)，團(tuán)隊(duì)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(jiàn)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(yǔ)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(gè)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(gè)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(lái)就是石墨。用鉛筆輕輕在紙上劃過(guò)，留下來(lái)的就是幾層甚至幾十層的石墨烯。
作為單個(gè)原子層的材料，石墨烯的特點(diǎn)之一就是薄，堪稱目前世界上最薄的材料。它只有一個(gè)原子那么厚，約0.3納米，大約六萬(wàn)層石墨烯才能構(gòu)成一根頭發(fā)絲的厚度。輕薄、強(qiáng)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(kāi)啟了原子級(jí)別厚度材料的研究，讓人類對(duì)新材料的研究進(jìn)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(shí)勝說(shuō)。
制造石墨烯，要讓石墨變薄。我們小時(shí)候肯定有這樣的經(jīng)歷，當(dāng)在紙上寫錯(cuò)字的時(shí)候，我們會(huì)用透明膠帶粘掉錯(cuò)別字。2004年，英國(guó)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(kāi)，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(shí)上，石墨烯是不會(huì)自己發(fā)熱的。只有在電流通過(guò)時(shí)，電子會(huì)在石墨烯內(nèi)迅速跑動(dòng)，與碳原子進(jìn)行碰撞，引起碳原子的震動(dòng)，向外輻射紅外線，從而給人體取暖?！绷謺r(shí)勝說(shuō)，因此我們穿石墨烯保暖服的同時(shí)，還必須連接一個(gè)外置電源給保暖服“充電”。
林時(shí)勝告訴記者，電子在石墨烯內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度接近光速的300分之一，輻射面積大，熱傳導(dǎo)能力強(qiáng)，因此石墨烯的發(fā)熱效率非常高。在熱得快的同時(shí)，石墨烯的熱量分布還非常均勻，不會(huì)存在局部的熱點(diǎn)。同時(shí)，石墨烯的續(xù)航能力強(qiáng)，能夠在最小用電量的同時(shí)發(fā)出最大的熱量。例如使用藍(lán)牙智能控溫，可以使石墨烯圍巾維持在42℃長(zhǎng)達(dá)11至12小時(shí)。此外，石墨烯通電后發(fā)射的是波長(zhǎng)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(jìn)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(lái)會(huì)有更多的石墨烯產(chǎn)品進(jìn)入人們的日常生活，那時(shí)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^(guò)石墨烯與智能芯片鏈接，實(shí)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?！绷謺r(shí)勝說(shuō)，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(lái)還可以應(yīng)用于新能源汽車、手機(jī)、5G基站等廣泛領(lǐng)域。
辨別保暖科學(xué)真?zhèn)?/span>
當(dāng)前市場(chǎng)上打著“高科技”名號(hào)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(chǎng)上不少產(chǎn)品只打概念，沒(méi)有內(nèi)在。比如有些所謂的石墨烯保暖服內(nèi)部其實(shí)是金屬絲，同時(shí)缺乏良好的控溫能力，可能因?yàn)槟骋稽c(diǎn)溫度過(guò)高，而對(duì)身體產(chǎn)生燙傷的風(fēng)險(xiǎn)。
“我們?cè)缭?019年就擁有了紡絲級(jí)單層氧化石墨烯十噸生產(chǎn)線，獲得了國(guó)際認(rèn)證。正是因?yàn)橛辛松a(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，哪些產(chǎn)品有問(wèn)題，一測(cè)試就能看出來(lái)。”高超團(tuán)隊(duì)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?！熬退阍诤涞亩?，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(shuō)。
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(tuán)，可產(chǎn)生活性氧簇（ROS）引起氧化應(yīng)激，擾亂細(xì)菌代謝進(jìn)程，從而抑制或殺死細(xì)菌。除此之外，團(tuán)隊(duì)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(shí)，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(hào)。
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(shí)，氣凝膠在航天探測(cè)上也有多種用途，在俄羅斯“和平”號(hào)空間站和美國(guó)“火星探路者”的探測(cè)器等都有用到這種新型保暖材料。
目前，我國(guó)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(zhǎng)時(shí)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(chǎng)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(jìn)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(diǎn)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(méi)有規(guī)?；裼?，其安全性和有效性仍有待驗(yàn)證?！备叱f(shuō)。
