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自然中的热现象: 北极熊毛纤维的保温隐身特效

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发表于 2020-2-29 22:43:44 | 显示全部楼层 |阅读模式
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北极熊又叫白熊,是北极地区最大的食肉动物。我们知道,北极气温最低能到达-50℃,而北极熊体温始终维持在38℃。北极熊能在冰天雪地环境中很好地生存,主要得益于其全身厚厚的白色(略带淡黄)长毛的特殊结构。

科学家们通过扫描电子显微镜分析了北极熊的长毛结构。研究观测发现,北极熊的毛并非白色,而是一根根中空而透明的管状结构,即北极熊的毛相当于一根管道,里面充满了多个孔洞。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。这些管状毛在阳光的照射下会变成美丽的金黄色。在阴天或有云的时候,毛管对光线折射和反射较少,人们就会看到白色的北极熊。管状长毛也具有极好的保温隔热作用,在体温38℃时导热系数仅0.04W/(W.℃)左右,这与空气导热系数接近。此外,长毛还具有良好的疏水性特性,使其能在潮湿条件下保持绝缘性的特殊功能。得益于管状毛天然的热收集、绝热及疏水等功效,北极熊才能抵御北极的严寒。

受北极熊长毛的特殊功能启迪,浙江大学科研人员模仿北极熊的毛发结构,研制出了一种有序多孔的隔热保温织物,研究成果在材料科学领域的国际权威杂志《Advanced Materials》上报道。仿生型织物具体做法为:将蚕丝溶解于水中,制成含水量达95%的纺丝溶液,之后再用注射器将混合物慢慢注入一个低温装置中形成直径约为200微米、含有冰晶的冷冻多孔纤维,最后通过冷冻干燥让纤维中的冰晶升华留下众多有序的片层孔。该类型织物不仅非常保暖,还能有“隐身”的特殊功能。研究测试表明:这种材料的导热系数比原本的北极熊毛发还要低,保暖性也更强;在-10℃到40℃的环境中热成像摄相机几乎无法检测出覆盖了织物的兔子身上的热量。

此外,中国科技大学科研人员通过组装人工合成的碳管纤维,设计出一种具有弹性的轻质材料模。模拟数百万根中空碳管,每根碳管相当于一根北极熊毛发,并将它们缠绕成像通心粉一样的气凝胶。中空结构不仅使得单根毛发变得轻质,还限制了热对流效应,这有利于达到高效保温的功能。

北极熊毛纤维的高效保温隐身特效,将为科学家、工程师研发设计高性能绝热材料和隐身材料提供新的灵感,也将为航空航天领域等极端条件下隔热、保温及隐身技术探索提供新的途径。

《自然中的热现象》系列报道回顾
系列报道(2):北极熊毛纤维的保温隐身特效

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