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保暖“黑科技”：藍牙智能溫控石墨烯圍巾
閱讀次數：820  更新時間：2021-01-16
     寒潮恰逢“三九”天，北風呼呼地刮在臉上，怎一個“冷”字了得！上班上學路上，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”走進了現實。本報記者專訪了浙江大學化學工程與生物工程學院教授柏浩、信息電子工程學院教授林時勝和高分子系教授高超，帶大家走進保暖科學的最前沿。

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”，與極地的嚴寒抵抗。


　　科學研究發(fā)現，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


　　浙江大學化學工程與生物工程學院教授柏浩介紹，北極熊毛的手感近似人類發(fā)質粗密的頭發(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。這種結構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。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。
　　導熱率是材料熱傳導能力大小的物理量，導熱率越低越保暖。據了解，靜止空氣的導熱率是26，天然北極熊毛的導熱率是27左右，已經非常接近靜止空氣的導熱率。而柏浩團隊制備的仿生纖維，導熱率最低有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。”柏浩說。
　　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從24℃升高到36℃。也就是說，它既可以實現被動隔熱，也可以實現主動產熱?！?nbsp;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”一詞頻頻出現在各類保溫產品的宣傳語里，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，石墨是由碳元素構成的物質。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成一根頭發(fā)絲的厚度。輕薄、強韌、導電、導熱……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信息電子工程學院教授林時勝說。
　　制造石墨烯，要讓石墨變薄。我們小時候肯定有這樣的經歷，當在紙上寫錯字的時候，我們會用透明膠帶粘掉錯別字。2004年，英國曼徹斯特大學的海姆和諾沃肖洛夫，用透明膠將一塊石墨片反復粘貼與撕開，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。
　　林時勝團隊專注石墨烯研究多年。日前，一款藍牙智能溫控石墨烯圍巾走出了實驗室。據介紹，圍巾內襯中的石墨烯厚膜可加熱至30℃至60℃，內置移動電源放置區(qū)可以循環(huán)充電，通過手機端APP可以將圍巾的溫度精準控制在適宜的溫度。
　　“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，電子在石墨烯內的運動速度接近光速的300分之一，輻射面積大，熱傳導能力強，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品進入人們的日常生活，那時穿上不同的石墨烯產品，就可以自由地控制相應部位的溫度。“我們希望通過石墨烯與智能芯片鏈接，實現一種智能化溫控的系統，使溫度調節(jié)系統便捷化、智能化、芯片化、人性化?！绷謺r勝說，石墨烯智能溫控系統，包括散熱和加熱，不僅僅在于服裝，未來還可以應用于新能源汽車、手機、5G基站等廣泛領域。

辨別保暖科學真?zhèn)?/span>


當前市場上打著“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，也有“偽科學”。


　　浙江大學高分子系教授高超認為，當前市場上不少產品只打概念，沒有內在。比如有些所謂的石墨烯保暖服內部其實是金屬絲，同時缺乏良好的控溫能力，可能因為某一點溫度過高，而對身體產生燙傷的風險。
　　“我們早在2019年就擁有了紡絲級單層氧化石墨烯十噸生產線，獲得了國際認證。正是因為有了生產經驗，哪些產品有問題，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合纖維，如今已經應用在毛衣等衣物上。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，經氧化后的石墨烯表面含有大量的含氧官能團，可產生活性氧簇（ROS）引起氧化應激，擾亂細菌代謝進程，從而抑制或殺死細菌。除此之外，團隊生產的石墨烯產品還帶有防紫外線、抗靜電、負離子發(fā)生等功能。
　　在破除“偽科學”迷信的同時，真科學在科研領域大放異彩。
　　氣凝膠作為一種納米多孔結構材料的固體新材料，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。
　　數據顯示，新材料能在零下196攝氏度至300攝氏度的范圍內發(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)異的化學穩(wěn)定性，可進行染色、疏水化、化學鍍等多種改性且不損傷氣凝膠主體骨架結構。
　　“氣凝膠質量輕、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用于工業(yè)，沒有規(guī)?；裼?，其安全性和有效性仍有待驗證?！备叱f。

資料來源：浙江日報，石墨烯資訊編輯整理，轉載請注明出處

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