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 海南兔 发表于: 2022-4-28 21:49:02|显示全部楼层|阅读模式

[2022年] 想实现即时调温,只需轻轻按一下这块“鱿鱼皮肤”

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源自:媒体滚动
  近日,美国加利福尼亚大学尔湾分校(UCI)化学与生物分子工程系副教授阿隆·戈罗德茨基带领的团队在《自然·可持续性》上发表了一篇论文,称他们找到了制备大面积“鱿鱼皮肤”的方法。当这种皮肤用作包装材料后,人们能根据需求即时调节它的温度。
  以鱿鱼为原型设计复合材料
  戈罗德茨基在UCI的采访中说,他偶然在一次会议上听了生物学家汉隆·罗杰关于头足纲动物的报告后,便开始对这类神奇的动物感兴趣。头足纲动物包括墨鱼、鱿鱼和章鱼。罗杰花了30多年的时间试图了解这些“头部长在足上的动物”,其中,它们快速自适应变色的能力最令他着迷。
  但头足纲动物其实是“色盲”,它们的眼中只有一种光感受器,色觉则至少需要两种光感受器才能形成。这令人不解,因为头足纲动物明明能让自己和环境混为一体,如果分不清颜色,它们又是如何根据环境“换肤”以实现藏身的呢?后来,罗杰和同事发现:头足纲动物的皮肤布满了具有感光能力的视蛋白,且与眼睛里的属于同一种视蛋白。也有猜想认为,头足纲动物瞳孔形状特殊,可以放大色差,从而分辨不同波长的光。尽管他们知道这并不能解决上述的颜色感知问题,但也发现皮肤或许发挥着某些作用。也就是说,头足纲动物的皮肤也许能“看”到光。此外,科学家也基本破解了皮肤在制造不同颜色中所起到的作用,尤其是皮肤的组成和结构。
  头足纲动物的皮肤就像一面奇幻的显示屏,决定屏幕颜色的是像素,皮肤上对应的是色素体(但只是粗略类比)。每个色素体细胞包含一囊有色的化学物质(主要有红、黄、棕3种),色素囊周围还连接着几十个肌肉细胞。这些肌肉细胞的收缩或放松,能在不到1秒的时间内使色素囊的面积增加或减小。因此肌肉细胞的运动,能改变色素的暴露面积,以及是否被暴露出来,从而影响入射光线的反射特征,以及皮肤的颜色。
  戈罗德茨基想要借用这种机制来调控入射光线。相比于头足纲动物,他们只需要聚焦于传递热量的红外线,而不是整个光谱。因此,研究人员的第一步就是把红外反射材料──铜沉积在柔性的铝箔上,然后使这个较薄的铜层上生长一个个“铜柱”。在这里,研究人员想让一个个“铜柱”扮演鱿鱼色素囊的角色。他们还选择了一种叫做苯乙烯—乙烯—丁烯—苯乙烯(SEBS)的共聚物,作为色素囊的支撑体,其中SEBS对红外线透明。他们将SEBS喷涂在铜层上,并使“铜柱”嵌在SEBS涂层内。随后,在将铝箔剥离开后,便得到了以鱿鱼为原型设计的复合材料──“鱿鱼皮肤”。
  想象一下以下2个画面:当鱿鱼的肌肉细胞向外拉扯色素囊时,色素囊面积变大,从而覆盖更多的上层真皮;而当肌肉细胞舒张或放松时,色素囊则变为平常的大小,彼此分隔较大的距离,使更多的真皮暴露出来。作为类比,研究人员想到,可以对复合材料施加机械应力,使原本几乎连续排布的铜层发生断裂,铜层上生长的“铜柱”也随之分离,同时让下方的SEBS暴露出来。这必然会影响入射光线在穿过这些结构时的行为。
  在没有应力时,连续铺满的铜层能使红外线几乎全部反射出去,而几乎不发生透射。在施加30%的应力后,只有约78%的红外线发生反射,透射的占比则增加至约11%,其余的红外线被材料吸收。而且,随着应力的增加(小于100%),反射和透射的比例会随之分别减小和增加。
  2019年,戈罗德茨基带领的团队曾基于这种材料制成了一种袖子,并比较了有无袖子,以及有无应力下前臂皮肤的温度。他们发现,如果不施加应力,相比于裸露的前臂,袖子下的皮肤温度会高1℃左右。即平整的材料有利于“捕获”热量,起到极好的保温作用。但如果想要凉快一点的话,不用立刻脱下袖子,只需对袖子施加50%的应力即可。这时候,多穿的一层袖子只会让前臂的温度增加0.1℃左右。相关研究结果发表于《自然·通讯》。
  说到隔热或保温,美国国家航空航天局(NASA)开发的太空毯可能是最为人所知的。1964年,NASA马歇尔太空飞行中心首次制备出这种由热反射金属和塑料薄层构成的毯子,其中金属涂覆在塑料上,形成金属化聚对苯二甲酸乙二醇酯(MPET),能反射97%的热辐射。
  保温效果堪比太空毯
  在最新发表的这项研究中,戈罗德茨基和同事比较了他们制备的“鱿鱼皮肤”和太空毯的保温效果,尤其是作为包装材料使用时。
  为了满足对包装材料的需求,研究人员也制备出了毯状的“鱿鱼皮肤”。他们先做出9份面积较小(面积较小而易合成)的复合材料,然后把它们分别剪成小矩形,让SEBS充满9个小矩形之间的空隙(这是特意留出来的),从而将它们连接在一起。于是,便制成了毯状的“鱿鱼皮肤”,面积能达到约3480平方厘米。
  他们发现,这种大面积“鱿鱼皮肤”和太空毯的保温效果不相上下,但太空毯的效果是静态的,不随条件变化而变化。而这项研究中的“鱿鱼皮肤”则能使内部的物体与外界环境之间做动态的热交换:在不施加外力时,手并不会向“鱿鱼皮肤”内部传递热量;而当用手向“鱿鱼皮肤”施加一定的外力后,内部温度就会升高,从而达到动态、即时保温的效果。
  (据“环球科学”)
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