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我國科研人員首創(chuàng)“永不融化的冰雪”

發(fā)布時(shí)間:2022-02-09 17:23:00來源: 科技日?qǐng)?bào)

  給水凝膠加上一層自制冷裝置,就能做出冰板、冰墻。升溫時(shí)水不滴落,可以用于制作精美浮雕——這是世界上現(xiàn)有的唯一可長期在冰上保存浮雕的技術(shù)方案。在中國科技館中展出的冰板上,就雕刻著“城樓”和“雪花”。雖然摸的人不少,但圖案的形狀一直保持清晰。

  北京2022年冬奧會(huì)已經(jīng)開幕,冰雪運(yùn)動(dòng)的熱度也在持續(xù)升溫。當(dāng)年我國提出的“3億人上冰雪”的愿景,已走向現(xiàn)實(shí)。

  推廣冰雪運(yùn)動(dòng),就要有冰。不過,自然狀態(tài)下的冰雪,升溫后就融化,水淅淅瀝瀝,叫人煩惱。人工搭建冰場,則需建排水系統(tǒng)、沙礫層地基、加熱水泥層等,工序復(fù)雜,可移動(dòng)性較差,成本較高。

  北京理工大學(xué)宇航學(xué)院教授張凱團(tuán)隊(duì)研制出了一種新型材料——凝膠冰雪。它最大的特點(diǎn),就是“永不融化”。

  用高聚物網(wǎng)絡(luò)鎖住水 凝膠冰雪升溫也不化

  近日,在中國科技館,張凱團(tuán)隊(duì)制備的凝膠冰雪冰板在“科技冬奧”主題展上亮相。展臺(tái)不大,但吸引了不少路過的觀眾。大家出于好奇,都會(huì)伸手摸一摸。小朋友特別喜歡,半個(gè)身子撲上去,大叫著:“涼的,涼的,還滑滑的!這是冰呀!”

  凝膠冰雪中,百分之九十以上的成分是水,所以,它具有與自然冰雪幾乎相同的視感和觸感。

  其實(shí),常溫狀態(tài)下的凝膠冰雪,是一種水凝膠材料。它摸起來的質(zhì)感和果凍相近,但力學(xué)性質(zhì)更好。你用手戳一戳,就能看到它表面陷下去一小塊,又馬上回彈。你能壓它,能拽它,還能把它卷起來——就像卷毯子一樣。

  不融化的奧秘藏在一種親水的高聚物網(wǎng)絡(luò)中。這種網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、制備都大有講究。它由多種材料通過化學(xué)手段進(jìn)行聚合反應(yīng)形成,根據(jù)需求的不同,高聚物網(wǎng)絡(luò)的用材、形狀、交聯(lián)方式也不同。在沒有高聚物網(wǎng)絡(luò)時(shí),升溫后,冰晶會(huì)融化成水;但加入高聚物網(wǎng)絡(luò)后,融化后的水,也被牢牢鎖在網(wǎng)格之中,無法逃脫。這樣一來,即使升溫,水凝膠依然能保持形狀的完整——它介于液體和固體之間。其實(shí),我們熟悉的面膜、退熱貼等,都是水凝膠。

  制作凝膠冰雪時(shí),張凱團(tuán)隊(duì)特意選擇了生物相容性材料,無毒無害,自然環(huán)保,人們也可以盡情與它親密接觸。

  給水凝膠加上一層自制冷裝置,就能做出冰板、冰墻。升溫時(shí)水不滴落,可以用于制作精美浮雕——這是世界上現(xiàn)有的唯一可長期在冰上保存浮雕的技術(shù)方案。在中國科技館中展出的冰板上,就雕刻著“城樓”和“雪花”。雖然摸的人不少,但圖案的形狀一直保持清晰。

  有多種趣味應(yīng)用 助力更多人感受冰雪魅力

  若在城市中做小型“冰雪嘉年華”,凝膠冰雪也易于攜帶和安裝。常溫下,可以把它卷起來,到了目的地,墊上一層冰板,加上制冷機(jī)組,就能讓它搖身一變,成為不融化的小型冰場。

  凝膠冰雪能提供仿真冰無法比擬的真實(shí)冰雪體驗(yàn)感。而且,其原材料價(jià)格低廉,制備手段簡單,無需昂貴的大型儀器,且使用過程中易于維護(hù),成本相比人工造冰技術(shù)可大幅降低。

  還有更多有意思的應(yīng)用。

  比如,做冰雪主題的咖啡廳。凝膠冰雪制備的凝膠冰杯、冰碗,不融化、不失型,韌性強(qiáng),不易摔碎,還能重復(fù)使用。想想看,顧客拿上一只精美的冰杯,倒入熱騰騰的咖啡,咖啡降溫了,冰杯則因升溫變得軟糯Q彈,倒是很具有成為網(wǎng)紅打卡點(diǎn)的潛力。

  還能在材料上繼續(xù)“整活”。凝膠冰雪可引入具有光、電、磁等特性的元素,實(shí)現(xiàn)功能化設(shè)計(jì),比如讓它發(fā)光發(fā)亮,或者做成冰箱貼。

  張凱教授帶領(lǐng)的凝膠冰雪團(tuán)隊(duì),屬于北京理工大學(xué)宇航學(xué)院力學(xué)系波動(dòng)力學(xué)團(tuán)隊(duì),整個(gè)團(tuán)隊(duì)主要研究的是航天和水下大型裝備的減震降噪問題。幾年前,他們開始研究水凝膠,主攻方向是將它與聲學(xué)結(jié)合,研發(fā)面向海洋裝備和面向醫(yī)學(xué)的先進(jìn)聲學(xué)材料。例如,做B超時(shí)涂抹在人皮膚上的耦合劑,也是一種高分子水凝膠。團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型水凝膠,能讓病患體驗(yàn)更好,B超成像更清晰。“水凝膠是一種很有潛力的材料,未來在很多領(lǐng)域都能大顯身手。”張凱說。

  不過,將水凝膠和冰雪結(jié)合,在世界范圍內(nèi),還是首創(chuàng)。張凱還記得,4年多以前,他收到了學(xué)校發(fā)來的郵件,鼓勵(lì)教師們積極發(fā)揮研究優(yōu)勢服務(wù)北京冬奧會(huì)。張凱覺得,作為北京理工大學(xué)這所具有科技報(bào)國光榮傳統(tǒng)的高校的科研團(tuán)隊(duì),該為推廣冰雪文化助力。2008年,張凱曾在現(xiàn)場看過北京奧運(yùn)會(huì)110米欄的比賽,奧運(yùn)氛圍給他留下深刻印象?!拔揖拖胝业揭环N方法,讓更多人接觸冰雪,愛上冰雪,感受冰雪文化?!?/p>

  團(tuán)隊(duì)期待著,這種不融化的冰雪,能將冰雪的魅力,帶給更多人。(張蓋倫)

(責(zé)編: 常邦麗)

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