成果簡介

2022年2月4日至3月13日北京2022年冬奧會和冬殘奧會的成功舉辦，舉世矚目。他們憑借眾多先進技術(shù)給世界留下了深刻的印象，從出色的開幕式中使用的數(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)為冬奧會的成功做出了重大貢獻。為解答納米技術(shù)如何讓運動員“更快、更高、更強”的問題，促進冬奧會的發(fā)展，本文，清華大學許華平 教授團隊在《ACS Nano》期刊發(fā)表名為“Nanotechnology in the Olympic Winter Games and Beyond”的論文，研究重點介紹了納米技術(shù)在滑冰、可穿戴監(jiān)測設(shè)備、滑雪運動裝備、冬季運動等方面的代表性案例。保護和奧林匹克印刷，并說明了它們的物理化學原理和令人印象深刻的應(yīng)用。

圖文導讀

2.1 滑冰中的納米科學

滑冰是冬奧會的一項重大項目。運動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？這個科學問題已經(jīng)討論了數(shù)百年。人們普遍認為，滑冰是通過在冰表面形成水層來潤滑冰鞋（圖1）。但是關(guān)于水層的起源仍然存在爭議：它是表面融化、壓力誘導融化還是冰鞋產(chǎn)生的摩擦加熱的結(jié)果？壓力引起的熔化已被否認。盡管冰的熔點在表面壓力下會降低，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)與滑動速度無關(guān)，從而影響摩擦加熱，表明摩擦加熱在冰面潤滑中起不重要作用。

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

為了解釋獨特的潤滑性能，建立了納米級的表面分子模型（圖1c）。與大塊冰相比，由于氫鍵數(shù)量減少和平移運動的能壘較低，其表面的水分子具有更高的流動性根據(jù)摩擦系數(shù)與溫度之間的相關(guān)性，冰面在-7°C時最滑，這是本屆奧運會特意保留的。這可能是本屆奧運會冰面比往屆更滑的原因之一，也是滑冰領(lǐng)域大量世界紀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年冬奧會上，清華大學馮教授的研究團隊開發(fā)了一種可穿戴的柔性電子設(shè)備，用于越野滑雪運動員在訓練過程中監(jiān)測生理信號。馮教授團隊基于在柔性設(shè)備領(lǐng)域的經(jīng)驗，制作了一款集柔性溫度傳感器、柔性心電圖（ECG）傳感器、藍牙4G數(shù)據(jù)傳輸主機、導電柔性織物電極于一體的胸帶（圖3）。當運動員佩戴這條背帶時，該設(shè)備會不斷采集運動員的心率、心電圖、體溫、速度和海拔等信息，并通過自身的4G模塊將這些信號返回給可視化系統(tǒng)。這樣就可以實時監(jiān)控運動員的生理信息、位置信息、速度信息等重要數(shù)據(jù)。

圖3. 可穿戴監(jiān)測（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)出更好的機械性能。其他運動與公共健身、醫(yī)療健康監(jiān)測等領(lǐng)域都可以借助柔性電子實現(xiàn)精準監(jiān)測和服務(wù)。

2.3 運動器材

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

圖4. (a) 典型滑雪護目鏡的結(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) 具有納米級結(jié)晶相和無定形相的結(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

在冬奧會的戶外項目中，運動員需要保護自己免受周圍低溫的影響，但較厚的衣服會影響他們的表現(xiàn)。在過去的比賽中，我們發(fā)現(xiàn)運動員在雪地比賽中只穿著薄的運動服。薄衣服如何保護運動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/棉復合纖維。(c) 換熱器傳熱過程的簡化示意圖石墨烯系統(tǒng)：（1）熱傳導；(2)熱輻射。

石墨烯表現(xiàn)出高熱導率和通過晶格振動發(fā)射的紅外輻射。與傳統(tǒng)電線相比，石墨烯復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。在冬季戶外運動中，衣服搭配石墨烯復合納米纖維主要通過熱傳導和熱輻射使運動員保持溫暖（圖6c）。當有電流通過石墨烯復合納米纖維，會產(chǎn)生焦耳熱（過程1）。同時，碳原子內(nèi)部的熱運動石墨烯格子會產(chǎn)生紅外線（過程2），可以提高溫度，促進血液循環(huán)。通過引入一些具有固有紅外輻射的材料，例如玻璃纖維，可以進一步提高紅外發(fā)射率。未來，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 奧運印刷品

奧運印刷品，如服務(wù)手冊和觀眾指南，是運動員和其他人不可缺少的紙質(zhì)材料。考慮到殘疾人，尤其是盲人的無障礙，在本屆冬奧會和冬殘奧會上，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行對比。

中科院宋教授團隊研發(fā)的綠色盲文技術(shù)是北京2022年冬奧會的亮點之一。這種綠色技術(shù)改變了傳統(tǒng)上通過金屬板沖壓實現(xiàn)的盲文出版方式。盲文是通過噴墨打印在疏水基材上由含有納米顆粒和可固化樹脂的液滴通過可控的 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) 示意圖盲文印刷過程。(c) 綠色印刷盲文技術(shù)生產(chǎn)的奧運印刷品。

《北京2022年冬奧會和冬殘奧會觀眾指南》中英文版、《北京冬殘奧會運動員和代表隊服務(wù)手冊》（圖7d）等紙質(zhì)材料均采用了綠色盲文印刷技術(shù)。中國自主研發(fā)的這項技術(shù)，方便殘疾人獲取信息，體現(xiàn)人文關(guān)懷，展示國家形象，留下獨特的奧運和殘奧遺產(chǎn)。

3小結(jié)

在本文中，重點介紹了納米技術(shù)如何促進冬奧會和冬殘奧會的代表性例子，其中包括滑冰、可穿戴監(jiān)測設(shè)備、滑雪運動設(shè)備、冬季防護和奧運印刷中的納米科學。展望未來，我們預計奧運會中使用的納米技術(shù)將在體育以外的應(yīng)用中發(fā)揮更廣泛的作用。例如，冰面的納米科學可以促進超級潤滑表面的發(fā)展，減少磨損和能源消耗，并與冰川學有關(guān)?；诩{米技術(shù)的柔性設(shè)備不僅可以用于運動員的健康監(jiān)測和運動分析，還可以擴展到個性化、智能的可穿戴監(jiān)測設(shè)備，這已成為數(shù)字醫(yī)學的重要組成部分。

此外，柔性傳感器和織物將實現(xiàn)高精度動作捕捉，在電影、動畫、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。預計這項技術(shù)將超越冬奧會，在寒冷環(huán)境下運行、保溫設(shè)計等一系列方面帶來其他應(yīng)用。受益于這項技術(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算性能。

(2) 納米醫(yī)學和納米診斷學。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、容量和儲能，并提高太陽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工業(yè)的原子經(jīng)濟性和環(huán)境友好性。

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

文獻：

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