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保暖“黑科技”：蓝牙智能温控石墨烯围巾
阅读次数：818  更新时间：2021-01-16
     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。本报记者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？

柏浩团队制备的仿生纤维


　　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。
　　柏浩还告诉记者，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”。
　　林时胜告诉记者，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。

资料来源：浙江日报，石墨烯资讯编辑整理，转载请注明出处

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