中國科大研製仿北極熊毛髮的隔熱氣凝膠

2020-12-07 中國科學院

　　與人類或其他哺乳動物的毛髮不同，北極熊的毛髮是中空的。在顯微鏡下放大後，每一根毛髮都存在空腔結構，這種中空的管狀結構不僅降低了北極熊毛的密度，而且有利於減小熱導率，阻隔熱量從北極熊的皮膚表面擴散到周圍的低溫環境中，值得設計新型人工隔熱材料效仿。

　　中國科學技術大學教授俞書宏領導的研究團隊受北極熊毛髮中空結構的啟發，發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，該碳管氣凝膠表現出超彈性和低的熱導率。相關研究成果以Biomimetic Carbon Tube Aerogel Enables Super-Elasticity and Thermal Insulation 為題，於6月6日發表在《化學》上（Chem 2019,CHEMJOURNAL-D-19-00185R1）。論文的第一作者為博士研究生詹慧娟。

　　大自然歷經了億萬年的發展和進化，其豐富的結構與種類值得人們去學習和發展。該團隊利用一維納米線作為模板，通過模板法製備宏觀尺度的碳管氣凝膠（圖1）。由於其獨特的微觀結構，使該氣凝膠材料表現出優異的輕質、隔熱、疏水和機械性能（圖2）。其密度最低可達到8 kg/m3，低於絕大多數已報導的隔熱材料；它的接觸角為146o，在56%的相對溼度下放置120天，仍然能保持熱導率基本不變；由於中空碳管的內徑（35納米）遠小於空氣的平均自由程（75納米），管內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，其最低熱導率僅為23 mW m-1 K-1，低於乾燥空氣的熱導率。

　　該碳管氣凝膠具有宏觀尺度的三維網絡結構，因而具有超彈性，當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%應變下壓縮一百萬次或者90%應變下壓縮一萬次，碳管氣凝膠仍然保持結構完整。研究人員還探究了其作為壓阻式傳感器的相關性質，在30%應變下壓縮一萬次以後，它的相對電阻值基本不變。

　　這種受北極熊毛髮中空結構啟發設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，例如航天航空領域中應用的輕質隔熱保溫材料、彈性體材料等。

　　該項研究受到國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點項目、中科院前沿科學重點研究項目、中科院納米科學卓越創新中心、蘇州納米科技協同創新中心等的資助。

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　　圖1. CTA的製備。（A）北極熊毛的結構；（B）示意圖，表明用一維納米線作為模板製備CTA的方法；（C）CTA的透射圖；（D）CTA在壓縮形變為90%的條件下，壓縮一萬次的應力-應變曲線；（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的性能表徵。（A）不同材料密度的對比；（B）不同材料熱導率的對比；（C）不同材料回復速度的對比；（D）CTA在壓縮形變為30%的條件下，壓縮一百萬次的機械性能變化；（D）CTA在壓縮形變為90%的條件下，壓縮一萬次的機械性能變化。

　　與人類或其他哺乳動物的毛髮不同，北極熊的毛髮是中空的。在顯微鏡下放大後，每一根毛髮都存在空腔結構，這種中空的管狀結構不僅降低了北極熊毛的密度，而且有利於減小熱導率，阻隔熱量從北極熊的皮膚表面擴散到周圍的低溫環境中，值得設計新型人工隔熱材料效仿。
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　　大自然歷經了億萬年的發展和進化，其豐富的結構與種類值得人們去學習和發展。該團隊利用一維納米線作為模板，通過模板法製備宏觀尺度的碳管氣凝膠（圖1）。由於其獨特的微觀結構，使該氣凝膠材料表現出優異的輕質、隔熱、疏水和機械性能（圖2）。其密度最低可達到8 kg/m3，低於絕大多數已報導的隔熱材料；它的接觸角為146o，在56%的相對溼度下放置120天，仍然能保持熱導率基本不變；由於中空碳管的內徑（35納米）遠小於空氣的平均自由程（75納米），管內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，其最低熱導率僅為23 mW m-1 K-1，低於乾燥空氣的熱導率。
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　　這種受北極熊毛髮中空結構啟發設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，例如航天航空領域中應用的輕質隔熱保溫材料、彈性體材料等。
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　　圖1. CTA的製備。（A）北極熊毛的結構；（B）示意圖，表明用一維納米線作為模板製備CTA的方法；（C）CTA的透射圖；（D）CTA在壓縮形變為90%的條件下，壓縮一萬次的應力-應變曲線；（E）CTA在400℃熱臺上的熱紅外圖像，表明良好的隔熱能力。
 
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