冰冰滑滑且不化 我国科研人员首创“永不融化的冰雪”

科技 3个月前 社科兔
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冰冰滑滑且不化 我国科研人员首创“永不融化的冰雪”在中国科技馆展出的凝胶冰雪所制成的冰板。

  给水凝胶加上一层自制冷装置,就能做出冰板、冰墙。升温时水不滴落,可以用于制作精美浮雕——这是世界上现有的唯一可长期在冰上保存浮雕的技术方案。在中国科技馆中展出的冰板上,就雕刻着“城楼”和“雪花”。虽然摸的人不少,但图案的形状一直保持清晰。

  北京2022年冬奥会已经开幕,冰雪运动的热度也在持续升温。当年我国提出的“3亿人上冰雪”的愿景,已走向现实。

  推广冰雪运动,就要有冰。不过,自然状态下的冰雪,升温后就融化,水淅淅沥沥,叫人烦恼。人工搭建冰场,则需建排水系统、沙砾层地基、加热水泥层等,工序复杂,可移动性较差,成本较高。

  北京理工大学宇航学院教授张凯团队研制出了一种新型材料——凝胶冰雪。它最大的特点,就是“永不融化”。

  用高聚物网络锁住水 凝胶冰雪升温也不化

  近日,在中国科技馆,张凯团队制备的凝胶冰雪冰板在“科技冬奥”主题展上亮相。展台不大,但吸引了不少路过的观众。大家出于好奇,都会伸手摸一摸。小朋友特别喜欢,半个身子扑上去,大叫着:“凉的,凉的,还滑滑的!这是冰呀!”

  凝胶冰雪中,百分之九十以上的成分是水,所以,它具有与自然冰雪几乎相同的视感和触感。

  其实,常温状态下的凝胶冰雪,是一种水凝胶材料。它摸起来的质感和果冻相近,但力学性质更好。你用手戳一戳,就能看到它表面陷下去一小块,又马上回弹。你能压它,能拽它,还能把它卷起来——就像卷毯子一样。

  不融化的奥秘藏在一种亲水的高聚物网络中。这种网络的设计、制备都大有讲究。它由多种材料通过化学手段进行聚合反应形成,根据需求的不同,高聚物网络的用材、形状、交联方式也不同。在没有高聚物网络时,升温后,冰晶会融化成水;但加入高聚物网络后,融化后的水,也被牢牢锁在网格之中,无法逃脱。这样一来,即使升温,水凝胶依然能保持形状的完整——它介于液体和固体之间。其实,我们熟悉的面膜、退热贴等,都是水凝胶。

  制作凝胶冰雪时,张凯团队特意选择了生物相容性材料,无毒无害,自然环保,人们也可以尽情与它亲密接触。

  给水凝胶加上一层自制冷装置,就能做出冰板、冰墙。升温时水不滴落,可以用于制作精美浮雕——这是世界上现有的唯一可长期在冰上保存浮雕的技术方案。在中国科技馆中展出的冰板上,就雕刻着“城楼”和“雪花”。虽然摸的人不少,但图案的形状一直保持清晰。

  有多种趣味应用 助力更多人感受冰雪魅力

  若在城市中做小型“冰雪嘉年华”,凝胶冰雪也易于携带和安装。常温下,可以把它卷起来,到了目的地,垫上一层冰板,加上制冷机组,就能让它摇身一变,成为不融化的小型冰场。

  凝胶冰雪能提供仿真冰无法比拟的真实冰雪体验感。而且,其原材料价格低廉,制备手段简单,无需昂贵的大型仪器,且使用过程中易于维护,成本相比人工造冰技术可大幅降低。

  还有更多有意思的应用。

  比如,做冰雪主题的咖啡厅。凝胶冰雪制备的凝胶冰杯、冰碗,不融化、不失型,韧性强,不易摔碎,还能重复使用。想想看,顾客拿上一只精美的冰杯,倒入热腾腾的咖啡,咖啡降温了,冰杯则因升温变得软糯Q弹,倒是很具有成为网红打卡点的潜力。

  还能在材料上继续“整活”。凝胶冰雪可引入具有光、电、磁等特性的元素,实现功能化设计,比如让它发光发亮,或者做成冰箱贴。

  张凯教授带领的凝胶冰雪团队,属于北京理工大学宇航学院力学系波动力学团队,整个团队主要研究的是航天和水下大型装备的减震降噪问题。几年前,他们开始研究水凝胶,主攻方向是将它与声学结合,研发面向海洋装备和面向医学的先进声学材料。例如,做B超时涂抹在人皮肤上的耦合剂,也是一种高分子水凝胶。团队研发的新型水凝胶,能让病患体验更好,B超成像更清晰。“水凝胶是一种很有潜力的材料,未来在很多领域都能大显身手。”张凯说。

  不过,将水凝胶和冰雪结合,在世界范围内,还是首创。张凯还记得,4年多以前,他收到了学校发来的邮件,鼓励教师们积极发挥研究优势服务北京冬奥会。张凯觉得,作为北京理工大学这所具有科技报国光荣传统的高校的科研团队,该为推广冰雪文化助力。2008年,张凯曾在现场看过北京奥运会110米栏的比赛,奥运氛围给他留下深刻印象。“我就想找到一种方法,让更多人接触冰雪,爱上冰雪,感受冰雪文化。”

  团队期待着,这种不融化的冰雪,能将冰雪的魅力,带给更多人。

  来源:科技日报

版权声明:社科兔 发表于 2022年3月16日 上午3:58。
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