與人類或其他哺乳動(dòng)物的毛發(fā)不同，北極熊的毛發(fā)是中空的。在顯微鏡下放大后，每一根毛發(fā)都存在空腔結(jié)構(gòu)，這種中空的管狀結(jié)構(gòu)不僅降低了北極熊毛的密度，而且有利于減小熱導(dǎo)率，阻隔熱量從北極熊的皮膚表面擴(kuò)散到周圍的低溫環(huán)境中，值得設(shè)計(jì)新型人工隔熱材料效仿。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)受北極熊毛發(fā)中空結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，發(fā)展了一種人工合成類北極熊毛的中空碳管氣凝膠(CTA)的方法，該碳管氣凝膠表現(xiàn)出超彈性和低的熱導(dǎo)率。相關(guān)研究成果以“Biomimetic Carbon Tube Aerogel Enables Super-Elasticity and Thermal Insulation”為題，于6月6日發(fā)表在《化學(xué)》上（Chem 2019,CHEMJOURNAL-D-19-00185R1）。論文的第一作者為我校博士研究生詹慧娟。
圖1.?CTA的制備。
（A）北極熊毛的結(jié)構(gòu)；
（B）示意圖，表明用一維納米線作為模板制備CTA的方法；
（C）CTA的透射圖；
（D）CTA在壓縮形變?yōu)?0%的條件下，壓縮一萬次的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；
（E）CTA在400℃熱臺(tái)上的熱紅外圖像，表明良好的隔熱能力。
圖2.?CTA的性能表征。
（A）不同材料密度的對比；
（B）不同材料熱導(dǎo)率的對比；
（C）不同材料回復(fù)速度的對比；
（D）CTA在壓縮形變?yōu)?0%的條件下，壓縮一百萬次的機(jī)械性能變化；
（D）CTA在壓縮形變?yōu)?0%的條件下，壓縮一萬次的機(jī)械性能變化。
大自然歷經(jīng)了億萬年的發(fā)展和進(jìn)化，其豐富的結(jié)構(gòu)與種類值得我們?nèi)W(xué)習(xí)和發(fā)展。該團(tuán)隊(duì)利用一維納米線作為模板，通過模板法制備宏觀尺度的碳管氣凝膠（圖1）。由于其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，使該氣凝膠材料表現(xiàn)出優(yōu)異的輕質(zhì)、隔熱、疏水和機(jī)械性能（圖2）。其密度最低可達(dá)到8 kg/m3，低于絕大多數(shù)已報(bào)道的隔熱材料；它的接觸角為146o，在56%的相對濕度下放置120天，仍然能保持熱導(dǎo)率基本不變；由于中空碳管的內(nèi)徑（35納米）遠(yuǎn)小于空氣的平均自由程（75納米），管內(nèi)的空氣幾乎不會(huì)傳遞熱量，因此碳管氣凝膠具有很好的隔熱性能，其最低熱導(dǎo)率僅為23 mW m-1?K-1，低于干燥空氣的熱導(dǎo)率。
該碳管氣凝膠具有宏觀尺度的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因而具有超彈性，當(dāng)自由落體的小鋼球落在碳管氣凝膠的表面時(shí)，高回彈速度（1434 mm s-1），即使在30%應(yīng)變下壓縮一百萬次或者90%應(yīng)變下壓縮一萬次，碳管氣凝膠仍然保持結(jié)構(gòu)完整。研究人員還探究了其作為壓阻式傳感器的相關(guān)性質(zhì)，在30%應(yīng)變下壓縮一萬次以后，它的相對電阻值基本不變。
這種受北極熊毛發(fā)中空結(jié)構(gòu)啟發(fā)設(shè)計(jì)合成的新型碳管氣凝膠有望可滿足極端條件下對高性能材料的需求，例如航天航空領(lǐng)域中應(yīng)用的輕質(zhì)隔熱保溫材料、彈性體材料等。
該項(xiàng)研究受到國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中國科學(xué)院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心等的資助。
Highlighted by Chemical & Engineering News, Physics World, Phys.Org, ScienceDaily, and Eurekalert.
https://cen.acs.org/materials/nanomaterials/Polar-bears-inspire-strong-elastic/97/i23
https://physicsworld.com/a/polar-bears-inspire-insulating-aerogel/
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-06/cp-apm052919.php
https://www.sciencedaily.com/releases/2019/06/190606150317.htm
https://phys.org/news/2019-06-polar-bear-inspired-material-insulation.html
(合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、中國科學(xué)院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心、蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心、科研部)
