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一个青年科研团队的“冰雪奇缘”2022-09-05 20:53

  8月,北京,2022年全国科技活动周暨北京科技周活动主场,小朋友玩的桌上冰壶的冰面是用“凝胶冰雪”技术打造的。陈鼎/摄

  在2022年全国科技活动周暨北京科技周活动现场,一群孩子在一张“特殊”的桌上冰壶台前玩得不亦乐乎。一只只冰壶在“冰”面上掠过,带起阵阵凉意。

  “这冰好凉。”一个孩子一边把手掌按在“冰”面上一边说。他还不知道,他正在触摸的这块“冰”永远不会融化。

  送走了玩耍的孩子,北京理工大学张凯教授从箱子中取出一块透明无瑕、质地柔软如同果冻一般的材料,这便是冰壶球桌“冰”面的“本体”。张凯介绍,这种新型冰雪材料叫“凝胶冰雪”,其在冷冻后具有与天然冰雪几乎相同的视感和触感。

  凝胶冰雪的基础材料水凝胶一直是张凯教授团队的重要研究对象。这支团队长期聚焦水凝胶声学理论、设计、表征和制备研究,并服务于深海水声调控、超声成像诊断等民用和军工领域。“水凝胶的应用十分广泛。传统材料分为气体、液体、固体三种形态,而水凝胶处于固体和液体的交叉形态,作为水下材料具有很多天然的优势,例如在深海探测领域,传统材料耐压性和力敏感性不好,而水凝胶大约90%的成分是水,因此它的力敏感性好,有望成为深海探测领域的新材料。另外在医疗领域,与传统耦合剂相比,水凝胶不会流淌且声学性能好,在成像精度上更有优势,适于作为传导超声信号的介质。”在中国青年报社“温暖一平方”直播间,张凯介绍说。

  “北京冬奥会必将推动大众冰雪运动和冰雪产业的发展。”张凯说,在科技服务国家情怀的指引下,他和团队产生了将水凝胶应用于冰雪领域的灵感,力争解决后奥运会时代冰雪产业的发展痛点。

  “真冰易融化,同时冰场建设、运行和维护的成本较高,使传统冰雪产业发展受限。凝胶冰雪我们也叫它‘固体水’,它的主体成分依然是水,在冷冻状态下是目前最接近天然冰的材料,而且它的力学性能比真冰还要好。一般的冰受压就会碎裂,这就使得冰场在建设的时候,对制冷机组要求很高,而且在建设完成后基本不能断电以防冰融化,运营成本较高。”张凯介绍说,凝胶冰雪韧性强,在被压时不会产生裂纹,大大降低了机组的成本,未来使用凝胶冰雪的冰场便可根据冰场的实际使用人数去决定通电量,来调整冰面的大小,极大地降低运营成本。而与本质为高聚物材料的“仿真冰”相比,凝胶冰雪内部含有水分,因此不仅具有冰一般润滑的效果,还具有“仿真冰”不具有的冰的触感和视感。

  那么凝胶冰雪是如何将水分“困”在其内部的呢?张凯向记者道出了其中的“秘密”。原来,凝胶冰雪团队在水中引入了由多种材料通过化学聚合反应形成的高聚物网络,这种网络可以有效锁住水分子,使得水分子不能轻易移动,无法被外力挤出。当温度升高时,水分也无法“逃离”凝胶冰雪,进而实现不融化的特性,这也是凝胶冰雪团队最重要的一项突破。

  “未来,我们还希望可以将凝胶冰雪与力电声光热相结合,制造出冰雪主题的嘉年华设施、文创产品、冷敷贴、冷链装备等。以冷链装备为例,传统的冰在运输过程中会融化成水,然后流淌、泄漏,而凝胶冰雪不会失水,而且可以做成具有承载能力的结构材料,所以也许未来的冷链车就不会再像现在这个样子了。”张凯说。

  “我来自农村,从小参与过一些农业劳动,我觉得在未来,农村的土地也会是水凝胶材料的一处很大的用武之地。我们可以利用水凝胶材料,实现在不同季节对肥料锁水能力的调控。”凝胶冰雪团队90后成员、北京理工大学宇航学院博士研究生渐南南说。

  目前,该团队已在北京理工大学唐山研究院成立凝胶冰雪技术创新研究中心,进一步推进产业化发展。

  一项新科研成果诞生的背后往往是无数个需要攻克的难题和枯燥寂寞的日夜。对于凝胶冰雪团队来说,同样不例外。

  要想实现一个好的创意,就要设计并构建材料的微观组分和结构,完成实验室级别的制备和验证,这也是团队遇到的第一个难题。“我们团队成员的专业主要包括材料、机械和力学,因此我们效率很高,当想出一个新的创意,需要新材料时,材料学专业的队员就会进行制备,然后交给力学专业的队员做分析、设计和测试,同时机械专业的队员会负责制冷等技术环节。我们也拥有3D打印等技术,最后成功攻克了这个难题。”张凯说。

  然而当面向冰雪产业时,新的问题又出现了。无论是冰场还是文创产品,都需要与人接触,这就要求凝胶冰雪不仅成品无毒,其制备过程也要无毒。随之而来的是一次又一次的尝试、失败、再尝试、再失败,而在解决问题的过程中新的问题又层出不穷。

  “往往一个很小的难点,就能阻碍你很长时间。比如说并不是所有的水凝胶材料都能作为凝胶冰雪材料,有些材料冷冻后就会开裂,或者它的保水性能不好,水分容易被挤出。我们目前的这个可以应用于冰雪运动的材料是经过了很多道工序,进行了上千次实验之后才得到的。”凝胶冰雪团队90后成员、北京理工大学宇航学院博士后左磊说。

  张凯说,“凝冰冰雪”的科研过程不是一个一直在失败、最终突然有一天取得成功的过程,而是不断发现问题、解决问题的过程。其间,没有哪个是大问题,哪个是小问题。在这一过程中,会有时被困难卡住无法继续前行,但也会有解决问题后的意外之喜,会有时要面对他人的质疑,但也在科学中寻找到了最真实的快乐。

  “两岸猿声啼不住,轻舟已过万重山”,这是张凯经常用来形容他对科研工作理解的一句诗,“在往前走的时候,我们这一叶小舟看似没有力量,但是没关系,不管有何种声音,我们都会沿着自己的路走过千山万水。”