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石墨|薄衫可耐三九寒

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“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！上班上学路上 ， 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 。 本报采访人员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分子系教授高超 ， 带大家走进保暖科学的最前沿 。
披上“北极熊毛”
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“同门兄弟” ， 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 ， 里面充斥着多个孔洞 。 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 。
在北极熊毛的启发下 ， 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 ， 令纤维中的冰晶升华 ， 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 ， 能够隔绝外部的冷空气 ， 具有高效的隔热保温能力 。 ”柏浩说 。
柏浩还告诉采访人员 ， 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 。
裹上石墨烯围巾
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 。
“石墨烯开启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” 。
林时胜告诉采访人员 ， 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 ， 就可以自由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 。
辨别保暖科学真伪
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“伪科学” 。
浙江大学高分子系教授高超认为 ， 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 ， 扰乱细菌代谢进程 ， 从而抑制或杀死细菌 。 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 。
在破除“伪科学”迷信的同时 ， 真科学在科研领域大放异彩 。
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“火星探路者”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摄氏度环境中 ， 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 。
作者：林婧
【石墨|薄衫可耐三九寒】[责任编辑: ]

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