成果簡(jiǎn)介

2022年2月4日至3月13日北京2022年冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)的成功舉辦，舉世矚目。他們憑借眾多先進(jìn)技術(shù)給世界留下了深刻的印象，從出色的開(kāi)幕式中使用的數(shù)字顯示系統(tǒng)，到人工造雪和跨臨界CO 2制冷系統(tǒng)。然而，在更小的規(guī)模上——超出我們?nèi)庋鬯芸吹降姆秶{米技術(shù)為冬奧會(huì)的成功做出了重大貢獻(xiàn)。為解答納米技術(shù)如何讓運(yùn)動(dòng)員“更快、更高、更強(qiáng)”的問(wèn)題，促進(jìn)冬奧會(huì)的發(fā)展，本文，清華大學(xué)許華平 教授團(tuán)隊(duì)在《ACS Nano》期刊發(fā)表名為“Nanotechnology in the Olympic Winter Games and Beyond”的論文，研究重點(diǎn)介紹了納米技術(shù)在滑冰、可穿戴監(jiān)測(cè)設(shè)備、滑雪運(yùn)動(dòng)裝備、冬季運(yùn)動(dòng)等方面的代表性案例。保護(hù)和奧林匹克印刷，并說(shuō)明了它們的物理化學(xué)原理和令人印象深刻的應(yīng)用。

圖文導(dǎo)讀

2.1 滑冰中的納米科學(xué)

滑冰是冬奧會(huì)的一項(xiàng)重大項(xiàng)目。運(yùn)動(dòng)員的快速速度和令人難以置信的技術(shù)得益于光滑的冰面。為什么冰面這么滑？這個(gè)科學(xué)問(wèn)題已經(jīng)討論了數(shù)百年。人們普遍認(rèn)為，滑冰是通過(guò)在冰表面形成水層來(lái)潤(rùn)滑冰鞋（圖1）。但是關(guān)于水層的起源仍然存在爭(zhēng)議：它是表面融化、壓力誘導(dǎo)融化還是冰鞋產(chǎn)生的摩擦加熱的結(jié)果？壓力引起的熔化已被否認(rèn)。盡管冰的熔點(diǎn)在表面壓力下會(huì)降低，這符合克拉佩龍方程，但這種降低不足以在可以滑冰的低溫下融化冰。此外，Bonn 的工作表明摩擦系數(shù)與滑動(dòng)速度無(wú)關(guān)，從而影響摩擦加熱，表明摩擦加熱在冰面潤(rùn)滑中起不重要作用。

圖1. (a) 冰鞋與冰面接觸示意圖。(b) 冰面上的表面動(dòng)力學(xué)模擬。(c) 通過(guò) X 射線衍射、X 射線吸收、橢圓偏光法和兩種計(jì)算機(jī)模擬方法獲得的液層厚度。(d) 不同溫度下冰的摩擦系數(shù).

為了解釋獨(dú)特的潤(rùn)滑性能，建立了納米級(jí)的表面分子模型（圖1c）。與大塊冰相比，由于氫鍵數(shù)量減少和平移運(yùn)動(dòng)的能壘較低，其表面的水分子具有更高的流動(dòng)性根據(jù)摩擦系數(shù)與溫度之間的相關(guān)性，冰面在-7°C時(shí)最滑，這是本屆奧運(yùn)會(huì)特意保留的。這可能是本屆奧運(yùn)會(huì)冰面比往屆更滑的原因之一，也是滑冰領(lǐng)域大量世界紀(jì)錄被打破的原因之一。

2.2 可穿戴監(jiān)控設(shè)備

納米技術(shù)在三個(gè)方面為柔性電子設(shè)備提供了重要支持。首先，電氣功能由多種納米材料提供，包括 Ag/Cu 納米顆粒和納米線、碳納米管、石墨烯，二維材料等。在2022年冬奧會(huì)上，清華大學(xué)馮教授的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種可穿戴的柔性電子設(shè)備，用于越野滑雪運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練過(guò)程中監(jiān)測(cè)生理信號(hào)。馮教授團(tuán)隊(duì)基于在柔性設(shè)備領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)，制作了一款集柔性溫度傳感器、柔性心電圖（ECG）傳感器、藍(lán)牙4G數(shù)據(jù)傳輸主機(jī)、導(dǎo)電柔性織物電極于一體的胸帶（圖3）。當(dāng)運(yùn)動(dòng)員佩戴這條背帶時(shí)，該設(shè)備會(huì)不斷采集運(yùn)動(dòng)員的心率、心電圖、體溫、速度和海拔等信息，并通過(guò)自身的4G模塊將這些信號(hào)返回給可視化系統(tǒng)。這樣就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)動(dòng)員的生理信息、位置信息、速度信息等重要數(shù)據(jù)。

圖3. 可穿戴監(jiān)測(cè)（心率、心電圖、體溫、速度和海拔）設(shè)備系統(tǒng)示意圖

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，特別是刺激響應(yīng)、導(dǎo)電納米材料和功能納米結(jié)構(gòu)的發(fā)展，柔性器件將變得更薄、更靈敏、更集成，并表現(xiàn)出更好的機(jī)械性能。其他運(yùn)動(dòng)與公共健身、醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域都可以借助柔性電子實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和服務(wù)。

2.3 運(yùn)動(dòng)器材

現(xiàn)代體育裝備的發(fā)展，為“更快、更高、更強(qiáng)”的奧運(yùn)格言做出了重大貢獻(xiàn)。更重要的是，該設(shè)備還可以保護(hù)運(yùn)動(dòng)員，提供更好的運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)。納米材料和聚合物在制造先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)器材中始終發(fā)揮著重要作用。

圖4. (a) 典型滑雪護(hù)目鏡的結(jié)構(gòu)和用于涂層的納米粒子的 SEM 圖像。(b) 不同角度反射涂層和不同顏色的原理示意圖。(c) 不同含量的聚合物改性ZnO納米粒子的抗紫外線涂層的紫外-可見(jiàn)光譜。(d) 具有不同納米結(jié)構(gòu)的表面的親水性

圖5. (a) 滑雪板的多層結(jié)構(gòu)。(b) 具有納米級(jí)結(jié)晶相和無(wú)定形相的結(jié)晶PE纖維中的分子排列示意圖。(c) 描述固體表面、液滴和空氣之間接觸的Cassie模型。(d) CuO納米線疏水表面上的液滴 (θ > 90°) 和CuO納米線的SEM圖像

2.4 冬季防護(hù)

在冬奧會(huì)的戶外項(xiàng)目中，運(yùn)動(dòng)員需要保護(hù)自己免受周圍低溫的影響，但較厚的衣服會(huì)影響他們的表現(xiàn)。在過(guò)去的比賽中，我們發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員在雪地比賽中只穿著薄的運(yùn)動(dòng)服。薄衣服如何保護(hù)運(yùn)動(dòng)員免受寒冷天氣的影響？關(guān)鍵技術(shù)之一是靈活石墨烯電加熱復(fù)合納米纖維

圖6. (a) Skier 和示意圖石墨烯. (二)石墨烯/棉紡織品和 SEM (1000×) 的石墨烯/棉復(fù)合纖維。(c) 換熱器傳熱過(guò)程的簡(jiǎn)化示意圖石墨烯系統(tǒng)：（1）熱傳導(dǎo)；(2)熱輻射。

石墨烯表現(xiàn)出高熱導(dǎo)率和通過(guò)晶格振動(dòng)發(fā)射的紅外輻射。與傳統(tǒng)電線相比，石墨烯復(fù)合納米纖維更柔韌且與紡織纖維相容（圖6b）。最后，石墨烯基于電子加熱的紡織品在可穿戴加熱系統(tǒng)和熱療方面顯示出巨大的潛力。在冬季戶外運(yùn)動(dòng)中，衣服搭配石墨烯復(fù)合納米纖維主要通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱輻射使運(yùn)動(dòng)員保持溫暖（圖6c）。當(dāng)有電流通過(guò)石墨烯復(fù)合納米纖維，會(huì)產(chǎn)生焦耳熱（過(guò)程1）。同時(shí)，碳原子內(nèi)部的熱運(yùn)動(dòng)石墨烯格子會(huì)產(chǎn)生紅外線（過(guò)程2），可以提高溫度，促進(jìn)血液循環(huán)。通過(guò)引入一些具有固有紅外輻射的材料，例如玻璃纖維，可以進(jìn)一步提高紅外發(fā)射率。未來(lái)，該技術(shù)還將在汽車熱管理系統(tǒng)、低溫環(huán)境專用加熱服裝和服裝、醫(yī)療衛(wèi)生設(shè)備等領(lǐng)域產(chǎn)生更專業(yè)的產(chǎn)品。

2.5 奧運(yùn)印刷品

奧運(yùn)印刷品，如服務(wù)手冊(cè)和觀眾指南，是運(yùn)動(dòng)員和其他人不可缺少的紙質(zhì)材料?？紤]到殘疾人，尤其是盲人的無(wú)障礙，在本屆冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)上，采用基于納米材料的綠色盲文印刷技術(shù)打印紙質(zhì)材料，并與正常字符和盲文進(jìn)行對(duì)比。

中科院宋教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的綠色盲文技術(shù)是北京2022年冬奧會(huì)的亮點(diǎn)之一。這種綠色技術(shù)改變了傳統(tǒng)上通過(guò)金屬板沖壓實(shí)現(xiàn)的盲文出版方式。盲文是通過(guò)噴墨打印在疏水基材上由含有納米顆粒和可固化樹(shù)脂的液滴通過(guò)可控的 3D 微結(jié)構(gòu)制成的。

圖7. (a) 可控 3D 微結(jié)構(gòu)的示意圖噴墨打印過(guò)程，以及顯示微滴中納米粒子組裝形態(tài)的 SEM 圖像。(b) 示意圖盲文印刷過(guò)程。(c) 綠色印刷盲文技術(shù)生產(chǎn)的奧運(yùn)印刷品。

《北京2022年冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)觀眾指南》中英文版、《北京冬殘奧會(huì)運(yùn)動(dòng)員和代表隊(duì)服務(wù)手冊(cè)》（圖7d）等紙質(zhì)材料均采用了綠色盲文印刷技術(shù)。中國(guó)自主研發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)，方便殘疾人獲取信息，體現(xiàn)人文關(guān)懷，展示國(guó)家形象，留下獨(dú)特的奧運(yùn)和殘奧遺產(chǎn)。

3小結(jié)

在本文中，重點(diǎn)介紹了納米技術(shù)如何促進(jìn)冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)的代表性例子，其中包括滑冰、可穿戴監(jiān)測(cè)設(shè)備、滑雪運(yùn)動(dòng)設(shè)備、冬季防護(hù)和奧運(yùn)印刷中的納米科學(xué)。展望未來(lái)，我們預(yù)計(jì)奧運(yùn)會(huì)中使用的納米技術(shù)將在體育以外的應(yīng)用中發(fā)揮更廣泛的作用。例如，冰面的納米科學(xué)可以促進(jìn)超級(jí)潤(rùn)滑表面的發(fā)展，減少磨損和能源消耗，并與冰川學(xué)有關(guān)?；诩{米技術(shù)的柔性設(shè)備不僅可以用于運(yùn)動(dòng)員的健康監(jiān)測(cè)和運(yùn)動(dòng)分析，還可以擴(kuò)展到個(gè)性化、智能的可穿戴監(jiān)測(cè)設(shè)備，這已成為數(shù)字醫(yī)學(xué)的重要組成部分。

此外，柔性傳感器和織物將實(shí)現(xiàn)高精度動(dòng)作捕捉，在電影、動(dòng)畫、VR游戲設(shè)備、元宇宙等領(lǐng)域發(fā)揮作用。納米技術(shù)賦能的超疏水表面有望應(yīng)用于日常生活，如防水面料和紡織品。石墨烯基電子加熱紡織品具有優(yōu)越的保暖性能。預(yù)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)將超越冬奧會(huì)，在寒冷環(huán)境下運(yùn)行、保溫設(shè)計(jì)等一系列方面帶來(lái)其他應(yīng)用。受益于這項(xiàng)技術(shù)，人們可以在寒冷的天氣里擺脫笨重的衣服。

除上述方面外，納米技術(shù)在一些相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展迅速，包括：

（1）信息技術(shù)和納米器件。納米技術(shù)有望使電子設(shè)備具有更高的集成度和計(jì)算性能。

(2) 納米醫(yī)學(xué)和納米診斷學(xué)。這部分包括納米藥物、藥物輸送系統(tǒng)、用于疾病診斷和藥物釋放的納米傳感器或機(jī)器人等。

(3) 納米與能源。納米技術(shù)將提高電池性能、容量和儲(chǔ)能，并提高太陽(yáng)能等可再生能源的利用效率。

(4)納米催化與綠色技術(shù)。具有綠色特性和高效率的納米催化劑將增加化學(xué)工業(yè)的原子經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境友好性。

總之，納米技術(shù)幫助人類不斷突破身體極限，爭(zhēng)取在奧運(yùn)會(huì)上“更快、更高、更強(qiáng)”。不僅在奧運(yùn)會(huì)的各個(gè)方面，而且在人類社會(huì)的日常生活和發(fā)展中，納米技術(shù)都做出了不可替代的貢獻(xiàn)。正如北京2022年冬奧會(huì)的口號(hào)“一起向未來(lái)”，人類社會(huì)將隨著納米技術(shù)的發(fā)展共享更加美好的未來(lái)。

文獻(xiàn)：

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c03346