冰冰滑滑且不化 我國科研人員首創(chuàng)“永不融化的冰雪”
給水凝膠加上一層自制冷裝置,就能做出冰板、冰墻。升溫時水不滴落,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年冬奧會已經(jīng)開幕,冰雪運動的熱度也在持續(xù)升溫。當年我國提出的“3億人上冰雪”的愿景,已走向現(xiàn)實。
推廣冰雪運動,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,工序復雜,可移動性較差,成本較高。
北京理工大學宇航學院教授張凱團隊研制出了一種新型材料——凝膠冰雪。它最大的特點,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,張凱團隊制備的凝膠冰雪冰板在“科技冬奧”主題展上亮相。展臺不大,但吸引了不少路過的觀眾。大家出于好奇,都會伸手摸一摸。小朋友特別喜歡,半個身子撲上去,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,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、制備都大有講究。它由多種材料通過化學手段進行聚合反應(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,升溫后,冰晶會融化成水;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,我們熟悉的面膜、退熱貼等,都是水凝膠。
制作凝膠冰雪時,張凱團隊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冰雪體驗感。而且,其原材料價格低廉,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,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,不易摔碎,還能重復使用。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,實現(xiàn)功能化設(shè)計,比如讓它發(fā)光發(fā)亮,或者做成冰箱貼。
張凱教授帶領(lǐng)的凝膠冰雪團隊,屬于北京理工大學宇航學院力學系波動力學團隊,整個團隊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結(jié)合,研發(fā)面向海洋裝備和面向醫(yī)學的先進聲學材料。例如,做B超時涂抹在人皮膚上的耦合劑,也是一種高分子水凝膠。團隊研發(fā)的新型水凝膠,能讓病患體驗更好,B超成像更清晰?!八z是一種很有潛力的材料,未來在很多領(lǐng)域都能大顯身手?!睆垊P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,他收到了學校發(fā)來的郵件,鼓勵教師們積極發(fā)揮研究優(yōu)勢服務(wù)北京冬奧會。張凱覺得,作為北京理工大學這所具有科技報國光榮傳統(tǒng)的高校的科研團隊,該為推廣冰雪文化助力。2008年,張凱曾在現(xiàn)場看過北京奧運會110米欄的比賽,奧運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。”
團隊期待著,這種不融化的冰雪,能將冰雪的魅力,帶給更多人。
本報記者 張蓋倫
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