科學也可以如此靠近

想上天下海無所畏懼?先學會保暖吧

11月
06
2018

2018年11月06日21時 今日科學 果殼

果殼

每年的畢業季,不知道各位學士碩士博士有沒有穿著學位服拋學士帽呢?但如果畢業時間是夏天,厚重的學位服卻會讓人有些煩躁。雖然已經將頭髮梳成大人模樣,但裡面只有穿短褲短裙才舒服,還怎麼再穿上一身帥氣西裝呢?

圖 | tuchong.com

其實穿學位服畢業並不是無理取鬧,這個傳統已經有數百歲了。第一所大學建立時,想要專門的樓來上課?不存在的——課程都在四面漏風的教堂里進行。而大多數學生都是神職人員,他們款式簡單的長袍和外套就非常實用了,可以擋風避雨還能保暖。隨後1222年的牛津宗教會議對教士著裝進行了規範,加上了長披肩(cappa

clausa)。很快,這一帶披肩的設計被隨後的大學普遍採用,成為學位服的前身<1>。當年用來尋求溫暖的教士服,如今變成了讓人內心溫暖的學術之光啊!

這個人身上有五千年前的皮毛陳列展

如果說學位服兼顧溫暖心靈和肉體顯得不那麼專一,那原始人身上的皮草則是專攻保暖的代表。1991年,一具埋在冰水中的男性屍體在阿爾卑斯山東麓被發現。這位被稱為「奧茨冰人」(Ötzi the

iceman)的男性,來自5300多年前。令科學家們好奇的是,這大哥怎麼能跑到那麼冷的山上去的?難道是有「四級甲」?為了探尋5300年前的阿爾卑斯山男性著裝風尚,義大利與愛爾蘭的研究者檢驗了毛皮材料中遺留的線粒體DNA。高中生物課堂學過,除了細胞核,線粒體中也擁有一小塊DNA。對人類基因組而言這只是一小部分,但是對研究者而言,這已經足以鑑定冰人奧茨身上穿有哪些動物皮草了。

奧茨冰人全身復原(未包含全部衣物復原,被發現時奧茲冰人身穿外套、斗篷、皮帶、褲裝、纏腰布等裝備)| Thilo Parg / Wikimedia Commons

結果十分意外——這位「冰凍潮人」的鞋是頭層小牛皮做的,黑白條紋大衣則是羊皮毛,保暖效果拔群,加上鹿皮箭袋和熊皮帽子……這些品類眾多的皮草非常經久耐用,而且還使用了同一種材料進行固定,讓人不得不承認這是經過精心搭配的,每一件擱現在都是引爆T台的單品<3>。至少五種動物的助力,讓「冰人」在大雪紛飛的阿爾卑斯山溫暖如春。

北極熊的毛髮如何吸收熱量 | Khattab, M. Q., & Tributsch, H.<3>

這時本AI突發奇想,如果奧茲知道極北之地有北極熊,那他肯定會惋惜不已——「保暖達熊」北極熊擁有中空透明的毛髮,排列緻密厚重。這種中空毛髮的絕妙之處就在於,當陽光照射在中空管壁上時,輻射熱會產生散射(各個方向的反射),然後在中空管壁上發生二次散射……整個反射過程會使得皮毛對陽光中的熱量形成有效吸收,而且毛髮角質層也會吸收熱量<3>。如果當時奧茲冰人收穫一件北極熊皮大衣,再把鳥的絨毛收集起來,填充到自己的大衣夾層里,那豈不是就有一件vintage羽絨服了?在「寸熱寸金」的北極,這種皮毛「玄學」非常實用,高效解決奧茲的保暖難題。

實驗證明,隨著輻射熱波長增加,多層北極熊毛對熱量的反射遞減,吸收遞增 | Khattab, M. Q., & Tributsch, H.<3>

上天下海也要追求「高定」

五千多年過去,人類探索世界的步伐遠超過了奧茲,但這段旅程將更離不開保暖。

就拿上天(和太陽肩並肩)來說,在大氣層內高處不勝寒說的就是海拔越高溫度越低的難題。距離地面400多千米高的太空人需要穿著太空衣,從內衣層到保暖層,再到隔熱層和外罩防護層。而服裝的材料也從羊毛等保暖性能較好的天然纖維,到外層的鍍鋁反射膜,形成高反射率的反射屏和低熱導率的問隔層,並形成很高的熱阻<4>。同時構成真空層,有效地避免了層間對流換熱,使得隔熱組件在真空環境具有很好的隔熱性能。這樣一件高級定製的太空「時裝」造價極其高昂,穿上它感受到的溫暖,一定是肉體心靈雙豐收。

飛兩萬米高的偵察機SR-71飛行員,穿著也快趕上太空衣了 | gizmodo.com

天上、地上的人都穿了毛皮外套,潛水者要掀桌了(不至於,您這樣真不至於!)。利用從海豹皮毛中獲得的靈感,麻省理工大學的研究者就使用雷射切割,將矽膠製成類似皮毛表面的狀態。隨後,他們將「皮毛」置於不同粘稠度的液體中,對「皮毛」屬性(如毛髮長度和間隔)的效果進行測驗。結果發現,矽膠「毛髮」排列層次越緊密,在纖維中間就能形成更多空氣囊,最終材料可以在水下保持相對乾燥;而空氣是熱的不良導體,毛髮形成的小氣囊越多,熱量也就越難傳出去,保暖性能瞬間提升。<5><6>

海豹的毛其實不比你家狗子少 | tuchong.com

類似皮毛的潛水服材質 | dspace.mit.edu

奧茲的潮流搭配看起來暖和,但有些太過於返璞歸真;太空衣和「海豹皮」看上去非常完美,但買不起也穿著不方便!在這個冬天,還是有一件時尚沉穩,保暖透氣,輕薄卻又不失冬裝特色的外套更為實際啊!(真是難搞的消費者……)

不過說了這麼多,保暖的精髓我們還是能get的——隔熱和儲熱。從北極熊的中空皮毛反射和太空衣中反射屏的「騷操作」上,可以看到這兩方面早已有了實踐。在家裡的暖水壺中也能找到這樣的例子——裝水的瓶膽是兩層玻璃,這兩層玻璃相對的一面都鍍上了銀,像鏡子一樣把輻射熱反射回去,彼此間的真空層可以阻止熱量流失,持續保持溫暖。這也給了男友更多機會說「多喝熱水」的機會。

那麼作為科技改變生活的擁躉,我們現在對於冬日保暖又有什麼優化方案呢?

科技保暖第一式——「反彈」你的熱

雖然鮮有「與太陽肩並肩」的機會,也沒有生來就毛茸茸的天賦,但我等凡人現在也有了「反彈熱量」的選擇。60年代NASA為太空項目開發了一款有金屬塗層的PET薄膜,主要材質為聚對苯二甲酸乙二醇酯,後來廣泛推廣到民用,被親切地稱為「戶外太空毯」。和北極熊與太空衣的原理如出一轍,戶外太空毯也是反射熱量的一員猛將。當光和熱輻射這對電磁波兄弟由空氣入射到太空毯金屬層表面時,進入金屬內的電磁波振幅迅速衰減,使得進入金屬內部的能量相應減少,而反射能量增加。<7>

對於光線來說,不同金屬的消光係數越大,光振幅衰減越迅速,進入金屬內部的光能越少,反射率越高。而對熱輻射的輻射吸收係數(法向全輻射放射率)越低,放射的熱量也更少,達到反彈熱量的效果。

Ir(銥)+ Al (鋁)合成膜對特定波長的電磁波反射率不同<8>

太空毯看起來亮閃閃的有些輕浮,但它有非常強的輻射熱和光反射能力,當年美軍就是靠這個阻隔熱信號,防止被塔利班發現。在美國的火人節也使用了3000張太空毯,對熱量的反射率可以達到97%。人工搭建的這片陰涼區,可以防止開心玩耍的同時被曬傷、燙傷。

3000張NASA太空毯在反射熱量 | archdaily.com

作為專攻保暖的Columbia 哥倫比亞,在十年前就將目光轉向通過反射熱保暖這一黑科技領域。太空技術不能飛在天上,也得「落地」啊!所以太空技術首次被用在衣服的保暖設計中,Columbia 哥倫比亞通過研發Omni-Heat

奧米·熱能反射技術,在衣服內里加入了密密麻麻的極薄銀色圓點。然而並不是將太空毯的技術照搬過來就能適用,因為採用的反射材料決定著反射區的厚度、組織結構、光學常數和反射率,這些也影響著穿著羽絨服時的舒適程度。每一個特殊材料的銀反射區都像是手持反光鏡的士兵,被排布在了衣服的內里上,將身體發出的熱量統統「懟」回去,達到保暖的效果。

Omni-Heat 奧米·熱能反射技術的「排兵布陣」

科技有意思!今年哥倫比亞全新3D熱能羽絨服在Omni-Heat 奧米·熱能反射技術的基礎上,又開發出了Omni-Heat 3D

奧米·3D熱能反射技術,以獨特的黑科技,開啟了「熱紀元」。圓點優化成了面積更大的人字形區域,「3D」則體現在人字形區域上植入的纖維簇,你可能會問:纖維這麼柔弱,有啥用啊?其實這個設計非常貼心,這些緻密的纖維結構可以讓羽絨服內里不完全接觸內層保暖衣物,在兩層衣服之間空隙之間形成靜止空氣層,在羽絨夾持空氣帶來的保暖效果以外,多給身體熱量的散出途徑上設置了一道屏障。並在纖維簇可以形成無數個氣囊,再次增大羽絨服的熱阻。羽絨、反射區和纖維簇形成的重重關卡能高效鎖住好不容易留下來的熱量。

纖維簇和人形反射區搭建的「溫暖防線」

一個計算題:3000張太空毯有97%的熱反射率,那麼更多的人形反射區能反射多少熱量呢?

為了更直觀地感受哥倫比亞全新3D熱能羽絨內里對輻射熱的反射效果,我們使用了類比法來驗證——先用波長532nm的雷射筆照射了普通羽絨服內里,可以看到雷射點如同夜空中的單星,沒有任何反射效果。

而照射哥倫比亞全新3D熱能羽絨的內里時,雷射則被大量的反射區反射地「波光粼粼」,在實際穿著中,熱輻射也會像雷射一樣被反射回到內衣上,仿佛熱量也在衣服上蹦了個養生迪。

通過對普通面料、Omni-Heat 奧米·熱能反射技術面料和Omni-Heat 3D 奧米·3D熱能反射技術面料進行熱能鎖定實驗,可以發現Omni-Heat 3D 奧米·3D熱能反射技術面料能鎖住更多熱量,顯著提升保暖效果。

科技保暖第二式——「擋住」你的熱

Columbia 哥倫比亞作為更懂羽絨服的「高端玩家」,也更能懂得你的保暖需求。哥倫比亞全新3D熱能羽絨服毫不吝嗇地採用了90%優質白鵝絨的填充方案,完美完成了中國羽絨工業協會對優質羽絨服的高標準嚴要求,達成高效阻熱的保暖目標。<9>

所謂阻熱,也就是儘量阻止熱量向外擴散,從而達到保暖的效果。前面課堂已經講過,空氣是熱的不良導體,這也就使得服裝的保暖性和其纖維層中所夾持的空氣的量和狀態息息相關。優質的羽絨相對蓬鬆,表面積大、能夾持的靜止空氣也更多,阻熱效果就會好。哥倫比亞全新3D熱能羽絨服中採用的白鵝絨的絨朵相對鴨絨更大更輕,蓬鬆性和回彈性也更好,形成更多的「氣囊」鎖住熱量,高效阻熱。

鵝絨和鴨絨對比 | Wikipedia

蓬鬆的羽絨絲之間可以形成緻密的氣囊

使用了更好更豐富的鵝絨的哥倫比亞全新3D熱能羽絨服輕薄又保暖,穿上它之後,「我的老天鵝啊!」將會是對陣陣暖意的驚呼。

奢華的90%鵝絨充絨量

整衣厚實且塑形

保暖第三式——「放走」你的潮

此「潮」非彼「潮」,畢竟黃軒上身的哥倫比亞全新3D熱能羽絨服不會影響你的潮人之道,但流汗帶來的潮濕卻是讓人崩潰的致命暴擊。有經驗的戶外運動者都知道,即使是冬天,在適當運動後還是會出汗,汗水迅速變冷後會緊緊貼在皮膚上,帶來透心涼的冰爽體驗。如果冬天的羽絨服過於厚重,還會給戶外運動帶來額外負擔。在冬天進行負重的運動,加上冷汗的侵襲,工作學習兩都誤,想不請病假都難。所以對於一件羽絨服中的優等生來說,保暖很重要,而輕薄透氣也是一門必修課。哥倫比亞的設計師考慮到了這一點,雖然羽絨服上有緻密的人字形Omni-Heat

3D 奧米·3D熱能反射區,但還貼心地在反射區之間加入了透氣物料,這種設計能將汗液迅速排走,加上超輕的面料和填充羽絨,讓你有個既保暖又透氣的舒心冬天。

鎖熱排汗兩不誤的貼心設計,更懂愛動的你

從遠古至今天、從天上到海底,從野性到文明,保暖作為馬斯洛需求理論的基礎需求——生存,一直是人們追求的目標。保暖這件小事其實並沒有那麼難,難的只是在保暖的同時滿足更多苛刻的需求。而Columbia 哥倫比亞作為擁有80周年歷史的戶外服裝領軍品牌一直以超越完美為標準,每一款新品的誕生都必須經過無數次真實戶外測試考驗,對於服裝科技的創新更是屢創先河與經典。

科技,將一直是滿足人類追求更好生活的驅動力。

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參考文獻:

<1> Walters, H. (1939). The story of caps and gowns. ER Moore Company.

<2> O』Sullivan, N. J., Teasdale, M. D., Mattiangeli, V., Maixner, F., Pinhasi, R., Bradley, D. G., & Zink, A. (2016). A whole mitochondria analysis of the Tyrolean Iceman’s leather provides

insights into the animal sources of Copper Age clothing. Scientific reports, 6, 31279.

<3> Khattab, M. Q., & Tributsch, H. (2015). Fibre-Optical Light Scattering Technology in Polar Bear Hair: A Re-Evaluation and New Results. Journal of Advanced Biotechnology and Bioengineering,

3(2), 38-51.

<4> 楊冬暉, 李猛, & 尚坤. (2016). 航天服隔熱材料技術研究進展. 航空材料學報, 36(2), 87-96.

<5> 陸水峰, 王光明, & 邵建中. (2008). 熱傳導與羊毛織物保暖性的關係. 針織工業, (1), 41-43.

<6> Nasto, A. M. (2018). Hairy interfaces (Doctoral dissertation, Massachusetts Institute of Technology).

<7> 宋志明, 王黎, 高曉蓉, & 王澤勇. (2010). 電磁波在媒質分介面上的反射與透射特性. 信息技術(6), 172-175.

<8> 干蜀毅等. "真空紫外~X射線反射膜研究現狀." 真空科學與技術學報26.6(2006):459-468.

<9> 行業標準:TB/T CFDIA004-2018 《高品質羽絨服裝》


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