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发稿时间:2021-01-18 12:41:06

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  北极熊防寒“黑科技”:用毛皮留住静止的空气

  2021年初,极寒天气仍在北半球一些地区肆虐,西班牙更是遭遇了百年不遇的超强降雪。在春天到来之前,我们仍要忍耐寒冷,并努力给自己做好保暖工作。

  说到保暖的衣物,除了受到环保主义者抗议的毛皮大衣之外,目前最好的选择就是羽绒服了。但你是否知道:羽绒服所使用的技术,其灵感来自于这个地球上最不怕冷的生物——北极熊吗?

  在极寒天气里,风和水是真正的敌人。想象一下掉进冰窟里的感觉,以及那些丧命于冰冷海水中的泰坦尼克号乘客们。但是,即便在最冷的天气里,北极熊也能在冰山上玩耍,还能在北冰洋的海水中游上10多公里。

  北极熊的皮毛,可以说是现阶段全世界最保暖的“天然衣物”,这其中蕴藏的“黑科技”,可以说非常厉害了。

  黑色的皮肤吸热

  中空的毛管保暖

  北极熊的皮毛,是目前地球上保暖最好的“天然衣物”。人们冬装里填充的保暖棉、羽绒服和棉服的热反射技术,都用到了和北极熊皮毛有关的仿生科技。

  这里有个简单而关键的知识点:静止的空气是导热性很低的材料,换句话说也就是很保暖的材料(空气静止了,热对流就无法产生,从而减少了热量的流失)。北极熊的皮毛之所以能保暖,重点也是“抓”住并稳定住了空气。

  事实上,羽绒之所以能保暖,也是因为纤维之间能固定空气;合成保暖棉能保暖,是将纤维做成了中空管,纤维管道和纤维之间能保存静止空气。

  北极熊身上的毛有两层,外层是含有油脂的防水针毛,游泳时能防止海水侵入,里层是保暖的绒毛。将北极熊的“白毛”放在电子显微镜下,你会发现北极熊的毛不是白色的,而是一根根中空而透明的毛管(见右下图)。人类肉眼所看到的“白色”,是因为毛的内表面粗糙不平,以致把光线折射得非常凌乱而形成的。

  每根北极熊的毛大约15厘米长,直径和人的头发差不多粗细。若在显微镜下细看,还会发现其毛发除了中间的管道外,周围还有许多更为狭长的半透明小孔,也沿着同一方向伸展。

  北极熊的中空毛管中,存在大量静止的空气,如前所述,静止的空气导热性低,所以北极熊的毛是绝佳的保暖纤维。同样,羽绒之所以保暖,也是绒丝之间锁住大量静止空气来保暖,与北极熊的毛异曲同工。

  除了毛之外,北极熊的皮肤也有保暖玄机——它的皮肤是黑色的,这一点可以从北极熊的鼻头、爪垫、嘴唇以及眼睛四周的黑皮肤上窥见其原貌。众所周知,黑色吸热,因此黑色的皮肤也有助于吸收热量。

  研究人员研究还发现:北极熊特殊的透明毛管,能让空气中的高能紫外线沿着毛芯内部通过,反射到毛下黑色皮肤上,转化成热能,再由皮下的血液将热能输送到全身。

  不仅如此,北极熊的毛还能反射红外线辐射。北极熊和人一样,都是恒温动物,每时每刻都在散发热量,即热辐射。但它的这层“黑科技”毛皮裹住其身体,却可以充分反射身体的热辐射,从而达到几乎不泄露热量的效果。

  这个效果有多厉害呢?这么说吧,即使用红外相机拍摄,也几乎无法探测到热量。

  用蚕丝模仿毛发

  用铝箔模仿皮肤

  北极熊的皮毛防水又保暖,可吸收紫外线吸热,又能阻挡身体热量散发,这一系列神奇的构造,让其成为世界上最保暖的“衣服”,也给了人类很多灵感,研发出相关仿生产品。

  比如,以北极熊毛的结构,制作出外层防水、内部是中空管状的保暖棉。2018年,浙江大学化学工程与生物工程学院的科研团队,还用独特的“冻纺”几乎纺出一种人造纤维,其隔热性能可与北极熊的毛发媲美。

  该科研团队采用浓度为5%的天然蚕丝蛋白水溶液,将其通过特殊工艺冷却后,溶液被重新“塑形”成纤维。这些纤维经过冷冻干燥后,便留下一条条由蚕丝蛋白组成的纤维“仿制毛”。这种材料的导热系数,比天然的北极熊毛发还要低,保暖性也更强。

  只是可惜,目前这种技术仅限于实验室,还没有找到能大规模、低成本量产的途径。如果未来能够实现量产的话,那么更加轻薄保暖的冬装一定会流行起来。到时,我们或许可告别厚重的外套,披一件薄薄的“人造毛衣”便可出门;

  另外,早期宇航服的构造中,有数道铝箔夹层,也是模仿北极熊的毛皮,通过反射身体的热辐射来保暖。2019年10月,美国航天局发布了更具灵活性和更高安全性的新一代宇航服,这

  种舱外宇航服可在零下约157摄氏度至零上约121摄氏度之间的温度条件下工作,保护宇航员不受辐射、月尘和微流星体侵害。

  这类仿生科技,目前仍在不断开发中,并且有望超过北极熊毛皮的保暖效果。(褐松鼠)

【编辑:孙静波】
来源:大江大河网络版  责编:热播
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