出品：科普中國

製作：Vivian（北京航空航天大學）

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

2021年年初的寒潮，讓我們深切地體會到被寒冷支配的恐懼。

1月7日早晨，北京迎來了自1966年之後氣溫最低值——零下19.6℃。

天寒地凍，衣物防寒第一步。

爲了保暖，大家都裹上了羽絨服或者各種動物毛皮製成的冬服。

天冷的時候，身體的熱量都去了哪？

當外界環境溫度比較低時，身體的熱量會通過熱傳導、熱對流、熱輻射等方式轉移到環境中，人會感到冷。

熱導率，是指單位面積、長度的材料在單位溫差下和單位時間內直接傳導的熱量。

接觸人體的材質熱導率數值越大，人體通過熱傳導方式被帶走的熱量越多，人越冷。

在人體周圍，吸收熱量後的空氣，密度降低而自動上升，旁邊的冷空氣補充其空位，形成對流能帶走身體的大量熱量。

相較於熱傳導和熱對流，熱輻射更高深莫測一些。

每個發熱體都會向四周輻射電磁波，從而實現熱的傳播，這種方式更多地體現在微觀領域，即晶格的震動就會產生輻射。

在正常體溫條件下，人體會發射7μm——14 μm波長範圍內的中紅外射線，以這種方式進行的熱量耗散甚至佔到室內環境下人體熱量耗散總量的50%以上。

羊毛、羽絨爲什麼能保暖？

想要保暖，就需要阻斷熱傳導、減弱熱對流、鎖住熱輻射能量。而羊毛、羽絨材質剛好能發揮這幾點作用。

羊毛和羽絨的熱導率一般都比較低，能降低人體和環境之間的熱傳導速率。

其實，相比羊毛、羽絨，靜止的空氣熱傳導率更低。

羊毛纖維較輕、較細，其較高的中空微觀結構可以固定靜止的空氣，從而降低熱量向環境傳遞。

羽絨，包括鴨絨和鵝絨，均爲呈散射狀的半球形的絨朵，其比表面積很大，黏附靜止空氣的表面積也大，當靜止空氣被身體釋放的熱量加熱以後，保暖的空氣保溫層便會包覆身體，使我們覺得很溫暖。

左爲鴨絨絨朵，右爲鵝絨絨朵｜圖片來源：參考文獻2

需要注意的是，羊毛和羽絨的微觀結構，都有利於在纖維間夾持較多的空氣。

但是當空氣層厚度超過一定值以後，過多的空氣會開始流動，形成熱對流，增加了熱量的散失。

因此，低溫環境中，熱對流使得人體周圍的空氣一直是冷的，釋放的熱量在加熱冷空氣——熱空氣上升——加熱冷空氣的過程中耗散，人就會覺得冷。

保暖性與空氣厚度的關係｜圖片來源：參考文獻3

除了降低傳導率，減少對流，降低熱輻射也是保暖的一種策略。

20世紀60年代，美國宇航局曾在織物中加入鋁鈦合金箔而研製出適合宇航員在太空中穿的''金屬棉''。人體發射的遠紅外輻射（散熱方式）可以被鋁鈦金屬箔反射回人體，使織物的保暖率提高70%——80%。

無論是羊毛，羽絨，還是皮毛，人類的保暖策略大都是從動物那裏獲得的靈感。

生活在極地環境具有的優異的抗寒保溫能力的北極熊的保暖策略集阻斷熱傳導、減弱熱對流、增加自身熱輻射於一體。

北極熊的毛髮是中空的，有利於固定靜止的空氣；厚厚的毛皮可以有效地反射紅外輻射，甚至在紅外攝像機下也看不到它們。

北極熊的中空毛髮（b剖面，c截面）｜圖片來源：參考文獻 4

以北極熊的毛髮爲靈感，研究人員製備了一種仿生纖維，兼具優異的保溫性能和機械強度。

用這種纖維編織而成的織物，具有優異的絕熱性質，可以讓小兔子在紅外相機下隱身。

穿上仿生纖維的小兔子在紅外相機下隱身 ｜圖片來源：參考文獻 4

黑科技讓保暖更有效

自然可以激發保溫科技的創新，科技的創造也可以推動保溫材質的發展。近年來，氣凝膠成爲先進保溫材料的典型。

氣凝膠是一種納米級多孔固態材料，密度極低，含氣量可高達99.8%。

一般情況下，氣凝膠很脆弱，不適合做保暖材料。但研究人員利用一種特殊的硅酸鹽，研製出了一種薄層結構陶瓷納米纖維氣凝膠，熱導率低、有彈性、變形性較好，還能防火。

防火的氣凝膠 ｜圖片來源：參考文獻 5

具有絕熱性能的氣凝膠在工業和日常生活中的作用不言而喻。

因爲具有大量空氣，且氣凝膠內部的孔尺寸較小，固定的空氣更傾向於處在靜止的狀態。這導致了氣凝膠有和空氣類似的低熱導率，這一優異性質完全可以應用於製造保溫衣物，而現在市場上也確實存在利用這種黑科技的服飾。

從理論上來說，一層薄薄的氣凝膠複合織物或者仿北極熊毛髮織物，可以達到羽絨的保暖效果。

對於保暖的策略而言，進行熱輻射管理同樣吸引眼球。

研究人員設計了一種納米多孔聚乙烯（nanoPE）複合碳/銅薄膜的三明治結構織物，成功控制人體的熱輻射實現了保溫效果。

在給定溫度條件下，輻射率在數值上等於吸收率。

織物中碳層對於人體輻射所在波長的中紅外線的輻射率約爲0.9，也就是說碳層可以吸收大部分人體輻射的中紅外線，並使其升高溫度。

研究人員在人工皮膚上對該織物的保溫性能進行測試，結果證明對於恆溫31℃的表皮，普通的運動衫可使其保持36.9℃的溫度，而複合織物的碳層面覆蓋後可使其上升至40.3℃，妥妥的自發熱暖寶寶。

值得一提的是，這種織物在反面覆蓋表皮時（即碳層面向外界環境），人造皮膚的溫度爲33.8℃。

這主要是因爲銅層的輻射率較低（約爲0.3），對身體輻射的中紅外線吸收較弱，因此在一定程度上起到了降溫的作用。

納米多孔聚乙烯複合碳/銅薄膜織物｜圖片來源：參考文獻 6

除了被動的絕熱，主動的加熱對於新型保暖衣服的發展也是極爲重要的。

基於這種理念，研究人員將碳納米管分散在上述仿生纖維材料中，製備了一種複合的電加熱纖維，僅需要施加5V電壓30秒，溫度就可以提高12℃。

其實，利用碳納米管纖維來實現電加熱的策略由來已久。當電流通過高度取向的碳納米管薄膜或者纖維時，會產生溫度升高的效果，在真空狀態下甚至可以升溫至1000——2000℃。通過調節電流大小，可以線性地調節溫度升高的幅度。

目前市場上的一些服裝產品便是基於碳納米管薄膜的電熱效應。機理說來簡單，但是真正實現應用卻並不容易。

研究人員需要解決電導率、電熱轉化率、控溫性、耐彎折水洗等各種材料性能及安全問題。

科技到產品的轉化，往往凝聚着研究人員極大的心血。也只有如此，纔可以用科技賦能生活的點滴改變。

不同電流下碳納米管的紅外圖像，電流越高，溫度越高｜圖片來源：參考文獻 7

明白了保溫機理，大家制定保溫策略便更遊刃有餘。

衣櫃裏現有的羊毛衫、羽絨服，疊穿起來已不僅僅是時尚問題，還是利用靜止空氣層來保溫的科技問題，甚至我們可以期待以後先進保溫材料給冬服帶來的變化。

總之，在一波一波的的寒潮中，希望大家都能好好保暖鴨！

參考文獻：

[1] 冬服保暖功效學原理及保暖材料的發展現狀與前景.

[2] 鵝、鴨絨纖維形態結構差異及對保暖性能的影響.

[3] 服裝的保暖性能測試標準和評價標籤.

[4] A Thermally Insulating Textile Inspired by Polar Bear Hair. https://doi.org/10.1002/adma.201706807.

[5] Ultralight and fire-resistant ceramic nanofibrous aerogels with temperature-invariant superelasticity.

http://advances.sciencemag.org/content/4/4/eaas8925.

[6] A dual-mode textile for human body radiative heating and cooling. http://advances.sciencemag.org/content/3/11/e1700895.

[7] Electro-Induced Mechanical and Thermal Responses of Carbon Nanotube Fibers. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201305123.