Mater Horiz：红外隐身！仿毛发隔热的形状记忆皮肤！

来源：高分子科学前沿

企鹅和北极熊能在寒冷的气候下生存，很大程度上依赖于它们的毛发。它们的毛发具有多孔结构，可以有效地反射体内发出的红外辐射，起到保暖的作用。在人类身上也发现了通过调节毛发的几何形状来有效控制热传递的方法。当人感到寒冷时，附着在毛囊上的竖毛肌会收缩，导致毛发直立并减少从身体到皮肤的热传递。然而由于其密度低，人类皮肤上的毛发在温度调节方面效果不佳，因此人必须穿上衣服来御寒。但是，衣物无法对环境变化作出反应。

韩国蔚山科学技术院Hyunhyub Ko等人展示了一种智能的毛状皮肤，该皮肤是基于包含分层多孔微/纳米结构的毛发状形状记忆聚合物（SMP），其具有动态响应的隔热和红外隐身的特殊功能。由于热量在微/纳米孔中传递较差，因此毛状SMP具有较高的隔热性。它的几何形状可根据温度变化，从而实现了动态响应。作者将这种智能的毛状皮肤应用于可穿戴的红外隐身技术上。该研究以题为“Stimuli-responsive micro/nanoporous hairy skin for adaptive thermal insulation and infrared camouflage”的论文发表在《Materials Horizons》上。

【SMP的结构与功能】

受人类毛发能由肌肉的收缩或松弛控制的启发（图1a），作者使用简单的气相诱导相分离方法制备了具有分层微/纳孔结构的毛状SMP阵列。SMP的表面形态可以基于其形状记忆特性（图1b）在站立状态和平躺状态之间转变，从而实现可切换的隔热性能。该SMP是由聚乳酸（PLA）和热塑性聚氨酯（TPU）组成的，在毛发直立/开孔状态下能表现出较高的隔热性，而当毛发变形为闭孔结构时，其隔热程度降低（图1b）。SMP复合材料中PLA和TPU聚合物之间的简单相分离会在TPU微孔内诱导出PLA的纳米孔结构，从而形成分层的微/纳孔结构（图1c）。这种多孔结构有助于实现优良的隔热性能。

图1多孔SMP的可调节隔热功能

【可切换的隔热性能】

如图1所示，使用具有生物启发性的毛状结构是实现刺激响应性绝热性能的有效方法。因此，作者将多孔SMP做成柱状阵列（图2a），并添加了氧化石墨烯（GO）。GO使得该阵列具有更高的机械强度和形状恢复性能，可在平躺状态和直立状态之间切换，来实现可调节的隔热性能（图2b）。红外图像显示，该可调节的隔热性能在平躺毛发状态下减弱，并且能在直发状态下恢复，具有高度可切换的隔热性能（图2c）。此外，该SMP还表现出优异的重复形状记忆性能，在经过10次循环的形状记忆测试后，依然保持其隔热性能。

图2毛状SMP的可切换隔热性能

【红外隐身应用】

在自然界中，许多生物如变色龙、章鱼和墨鱼会根据周围环境的变化动态改变其肤色。这种自适应的伪装行为也可以在具有动态自适应热绝缘的红外区域中实现。该仿毛发的SMP不仅能像毛发一样起到保暖的作用，还能凭借其出色的隔热性能应用于红外监测领域中。尤其是这种具有高柔韧性的毛状SMP可以做成任意的形状（图3a）。因此，作者将毛状SMP集成在人的手指上（图3b），当毛发处于站立状态时，人手指上的毛状SMP所覆盖的区域监测不到红外光，实现了红外隐身功能。相反，当毛发处于平躺状态时（食指上），隔热性能变差，红外隐身区域又变为可见。因此，使用该集成设备可以实现智能的热量管理，尤其是红外隐身的功能有望扩展到军事领域。

图3红外隐身功能的应用

总结：受毛发的启发，作者基于具有分层微/纳米孔结构的毛状SMP阵列，制造了具有动态响应隔热特性的智能皮肤。SMP复合材料中PLA和TPU聚合物之间的简单相分离会在TPU微孔内诱导出PLA纳米孔结构，从而形成分层的微/纳孔结构。由于其形状记忆特性，可以根据外部温度将SMP调控为平躺/闭孔或直立/开孔状态，从而实现动态控制的隔热性能。对于该智能毛发皮肤的应用，作者展示了其可穿戴的红外隐身功能。该智能毛状皮肤具有动态响应的绝热特性，在进一步改善热量管理技术（如个人温度调节、工业节能和军用热伪装）方面具有巨大潜力。

原文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/mh/d0mh01405b#!divAbstract