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冰冰滑滑且不化 我國科研人員首創“永不融化的冰雪”

2022-02-09 09:33:00
來源:科技日報
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  給水凝膠加上一層自製冷裝置,就能做出冰板、冰墻。升溫時水不滴落,可以用於製作精美浮雕——這是世界上現有的唯一可長期在冰上保存浮雕的技術方案。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年冬奧會已經開幕,冰雪運動的熱度也在持續升溫。當年我國提出的“3億人上冰雪”的願景,已走向現實。

  推廣冰雪運動,就要有冰。不過,自然狀態下的冰雪,升溫後就融化,水淅淅瀝瀝,叫人煩惱。人工搭建冰場,則需建排水系統、沙礫層地基、加熱水泥層等,工序複雜,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製出了一種新型材料——凝膠冰雪。它最大的特點,就是“永不融化”。

  用高聚物網路鎖住水 凝膠冰雪升溫也不化

  近日,在中國科技館,張凱團隊製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。大家出於好奇,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,常溫狀態下的凝膠冰雪,是一種水凝膠材料。它摸起來的質感和果凍相近,但力學性質更好。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,還能把它捲起來——就像卷毯子一樣。

  不融化的奧秘藏在一種親水的高聚物網路中。這種網路的設計、製備都大有講究。它由多種材料通過化學手段進行聚合反應形成,根據需求的不同,高聚物網路的用材、形狀、交聯方式也不同。在沒有高聚物網路時,升溫後,冰晶會融化成水;但加入高聚物網路後,融化後的水,也被牢牢鎖在網格之中,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——它介於液體和固體之間。其實,我們熟悉的面膜、退熱貼等,都是水凝膠。

  製作凝膠冰雪時,張凱團隊特意選擇了生物相容性材料,無毒無害,自然環保,人們也可以盡情與它親密接觸。

  給水凝膠加上一層自製冷裝置,就能做出冰板、冰墻。升溫時水不滴落,可以用於製作精美浮雕——這是世界上現有的唯一可長期在冰上保存浮雕的技術方案。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”,凝膠冰雪也易於攜帶和安裝。常溫下,可以把它捲起來,到了目的地,墊上一層冰板,加上製冷機組,就能讓它搖身一變,成為不融化的小型冰場。

  凝膠冰雪能提供倣真冰無法比擬的真實冰雪體驗感。而且,其原材料價格低廉,製備手段簡單,無需昂貴的大型儀器,且使用過程中易於維護,成本相比人工造冰技術可大幅降低。

  還有更多有意思的應用。

  比如,做冰雪主題的咖啡廳。凝膠冰雪製備的凝膠冰杯、冰碗,不融化、不失型,韌性強,不易摔碎,還能重復使用。想想看,顧客拿上一隻精美的冰杯,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,倒是很具有成為網紅打卡點的潛力。

  還能在材料上繼續“整活”。凝膠冰雪可引入具有光、電、磁等特性的元素,實現功能化設計,比如讓它發光發亮,或者做成冰箱貼。

  張凱教授帶領的凝膠冰雪團隊,屬於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太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合,研發面向海洋裝備和面向醫學的先進聲學材料。例如,做B超時塗抹在人皮膚上的耦合劑,也是一種高分子水凝膠。團隊研發的新型水凝膠,能讓病患體驗更好,B超成像更清晰。“水凝膠是一種很有潛力的材料,未來在很多領域都能大顯身手。”張凱説。

  不過,將水凝膠和冰雪結合,在世界範圍內,還是首創。張凱還記得,4年多以前,他收到了學校發來的郵件,鼓勵教師們積極發揮研究優勢服務北京冬奧會。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。“我就想找到一種方法,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

[責任編輯:楊永青]