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保暖“黑科技”:藍牙智能溫控石墨烯圍巾
更新時間:2021-01-16 瀏覽數:
     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。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質粗密的頭發。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。

  在北極熊毛的啟發下,柏浩團隊研發出一種叫“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?!卑睾普f。

  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,環環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可以循環充電,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,石墨烯的續航能力強,能夠在最小用電量的同時發出最大的熱量。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。

  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?!拔覀兿Mㄟ^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。

辨別保暖科學真偽


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。

  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攝氏度的范圍內發揮防寒隔熱作用。在零下60攝氏度環境中,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。此外,該氣凝膠纖維還具有優異的化學穩定性,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,沒有規?;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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