科学家们根据北极熊毛发的微观结构，设计了一种仿生碳管气凝胶隔热材料。这种轻质、高弹性和更高效的隔热材料为节能建筑隔热开辟了新的途径。
北极熊的毛发帮助它们在寒冷潮湿的北极圈环境中保持温暖。与人类或其他哺乳动物的毛发不同，北极熊的毛发天然中空。每根毛发中心都有一根细长的圆柱形毛芯。正是这种形状和空腔的分布赋予了北极熊毛发独特的白色外观。这些空腔具有诸多特性，例如卓越的保温性、防水性和弹性等，使其成为一种非常优良的隔热材料。中空结构限制了热量的传递，同时使每根毛发都极其轻盈。此外，北极熊毛发不吸水的特性使其在零下低温和潮湿的环境中也能保持温暖。因此，北极熊毛发是设计合成材料的理想模型，这些合成材料能够像北极熊毛发一样，提供高效的隔热性能。
6月6日发表在《化学》 （Chem）杂志上的一项新研究中，科学家们从北极熊毛发的微观结构中汲取灵感，并模仿其结构，开发出一种新型绝缘体，从而获得了北极熊毛发的所有独特性能。他们制造了数百万根超弹性、轻质的空心碳管，每根碳管的尺寸都与一根毛发相当，并将它们缠绕成一个气凝胶块。设计过程首先以碲（Te）纳米线为模板，制备出电缆状水凝胶，并在其表面涂覆一层碳壳。然后，他们先将水凝胶干燥，再在氩气惰性气氛中于900℃下煅烧，以去除碲纳米线，从而制成碳管气凝胶（CTA）。这种独特的设计使CTA成为一种优异的热绝缘体，并且具有超弹性，其回弹速度高达1434毫米/秒。这是迄今为止所有传统弹性材料中最快的回弹速度。作者指出，它的弹性甚至比北极熊毛发还要好。
由于碳管的中空结构，材料的内径小于空气的自由程，因此具有低于干燥空气的优良导热性。 该材料在相对湿度为 3% 的室温下储存 56 个月后仍能保持其导热性，从而显示出使用寿命。 CTA 重量轻，密度为 8 kg/m3； 比大多数可用的绝热材料更轻。 它不会受到水的影响，因为它是不可润湿的。 此外，即使在不同应变下多次压缩释放循环后，CTA 的机械结构仍能保持。
目前的研究描述了一种新的碳管气凝胶——灵感来自北极熊头发的空心管设计——它是一种出色的隔热材料。 与其他可用的气凝胶绝缘材料相比，这种受北极熊启发的空心管设计重量轻、更能抵抗热流、防水并且在其使用寿命期间不会降解。
改进且更高效的隔热系统有望节约一次能源消耗。如今能源供应短缺，而能源成本却不断攀升。提高建筑物的隔热性能是节约能源的有效途径之一。气凝胶已在众多此类应用领域展现出巨大的潜力。本研究为设计高性能材料开辟了新途径，该材料轻质、超弹性且隔热，适用于建筑、航空航天等行业，尤其是在极端环境下的应用。由于其极佳的拉伸性能，该材料在各种应用领域都极具吸引力。
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来源（S）
Zhan, H 等. 2019. 仿生碳管气凝胶实现超弹性和隔热性能. Chem. http://dx.doi.org/10.1016/j.chempr.2019.04.025
