與人類或其他哺乳動物的毛發(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，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。
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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)
