นักวิชาการจีนเตรียมวัสดุฉนวนความร้อนไบโอนิคขนหมีขั้วโลก

ด้วยการเลียนแบบโครงสร้างของขนหมีขั้วโลก ทีมงานจากมหาวิทยาลัยเจ้อเจียงได้เตรียมเส้นใยเทียมที่ให้ความอบอุ่นเป็นพิเศษห่อหุ้มด้วยแอโรเจล วัสดุนี้อบอุ่น น้ำหนักเบา และทนทานในเวลาเดียวกัน เมื่อวันที่ 22 ธันวาคม พ.ศ. 2566 บทความที่เกี่ยวข้องกับความสำเร็จนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารนานาชาติ "Science"

ความสำเร็จดังกล่าวเสร็จสิ้นโดยทีมศาสตราจารย์ Bo Hao จาก School of Chemical Engineering and Bioengineering และรองศาสตราจารย์ Gao Weiwei จาก Department of Polymer Science and Engineering ที่ Zhejiang University

ไป่ห่าวกล่าวว่าหมีขั้วโลกอาศัยขนที่อุ่นเป็นพิเศษในการปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิลบ 40 องศาเซลเซียส พวกเขาพบว่าขนของหมีขั้วโลกเป็นโครงสร้างกลวงที่ห่อหุ้มอากาศ "นิ่ง" จำนวนมาก และขนแต่ละเส้นมีเปลือก ภายใต้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน เปลือกนี้มีความหนาประมาณ 20 ไมครอน คิดเป็นเกือบหนึ่งในสี่ของเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผม

แรงบันดาลใจจากการค้นพบนี้ ทีมวิจัยใช้เวลาเกือบ 6 ปีในการเตรียมเส้นใยโครงสร้าง "core-shell" ชนิดใหม่ ศูนย์กลางของเส้นใยคือโพลีเมอร์แอโรเจลซึ่งมีรูพรุนยาวซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10 ถึง 30 ไมครอน รูเล็กๆจะจัดเรียงไปในทิศทางเดียวกันเหมือน “โกดัง” สำหรับกักเก็บอากาศ มีเปลือก TPU (ยางเทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทน) บนพื้นผิวของไฟเบอร์เพื่อห่อแอโรเจลไว้ด้านใน

"แกนกลาง" มีหน้าที่ในการทำให้ได้รับความอบอุ่นเป็นพิเศษ โดยการควบคุมทิศทางและขนาดของรูเล็กๆ ภายในเส้นใย คาดว่าจะ "ล็อค" การแผ่รังสีอินฟราเรดและป้องกันการสูญเสียความร้อน ส่วน "เปลือก" มีหน้าที่ในการมีความแข็งแรงและ ทนทาน ให้การรองรับเชิงกลที่ดีสำหรับเส้นใย ทำให้ทนทานต่อการสึกหรอ ทนต่อการยืดตัว และซักทำความสะอาดได้” Bohao กล่าว

เพื่อตรวจสอบผลกระทบของฉนวน นักวิจัยพยายามตรวจสอบผลของฉนวนของเสื้อแจ็คเก็ตดาวน์ เสื้อสเวตเตอร์ขนสัตว์ เสื้อสเวตเตอร์ผ้าฝ้าย และ "เสื้อสเวตเตอร์หมีขั้วโลก" ด้วยอุณหภูมิเริ่มต้นเดียวกันในห้องเย็นที่มีอุณหภูมิคงที่ที่ลบ 20 องศาเซลเซียส ยิ่งอุณหภูมิพื้นผิวของเสื้อผ้าสูงขึ้นน้อยลง ความร้อนก็จะสูญเสียไปจากร่างกายมนุษย์น้อยลงเท่านั้น และประสิทธิภาพในการระบายความร้อนของเสื้อผ้าก็จะดีขึ้นด้วย

นักวิจัยพบว่าหลังจากการทดสอบไม่กี่นาที อุณหภูมิพื้นผิวของเสื้อสเวตเตอร์ผ้าฝ้ายเพิ่มขึ้นเป็น 10.8 องศาเซลเซียส และอุณหภูมิพื้นผิวของแจ็คเก็ตดาวน์เพิ่มขึ้นเป็น 3.8 องศาเซลเซียส พื้นผิวของ "เสื้อสเวตเตอร์หมีขั้วโลก" ซึ่งใกล้เคียงกับความหนาของเสื้อสเวตเตอร์ขนสัตว์และมีความหนาเพียง 1 ใน 3 ถึง 1 ใน 5 ของเสื้อแจ็คเก็ตขนดาวน์ จะมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเพียง 3.5 องศาเซลเซียสเท่านั้น

"ขนของหมีขั้วโลกช่วยให้เราเห็นว่าธรรมชาติยอมให้ 'แกนกลาง' และ 'เปลือก' ทำหน้าที่ของตนได้อย่างไร สาระสำคัญของการวิจัยด้านไบโอนิคคือการเรียนรู้จากธรรมชาติถึงวิธีแก้ปัญหา" Bohao กล่าวว่าการเปิดเผยความลับของธรรมชาติ การค้นพบความรู้ใหม่ ๆ และการสร้างสรรค์วัสดุใหม่ ๆ ที่ช่วยปรับปรุงชีวิตของผู้คนนั้นเป็นภารกิจของการวิจัยด้านไบโอนิค และยังเป็นการแสวงหาที่ทีมงานทำมาหลายปีอีกด้วย