給水凝膠加上一層自制冷裝置，就能做出冰板、冰墻。升溫時(shí)水不滴落，可以用于制作精美浮雕——這是世界上現(xiàn)有的唯一可長(zhǎng)期在冰上保存浮雕的技術(shù)方案。在中國(guó)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(huì)已經(jīng)開(kāi)幕，冰雪運(yùn)動(dòng)的熱度也在持續(xù)升溫。當(dāng)年我國(guó)提出的“3億人上冰雪”的愿景，已走向現(xiàn)實(shí)。
推廣冰雪運(yùn)動(dòng)，就要有冰。不過(guò)，自然狀態(tài)下的冰雪，升溫后就融化，水淅淅瀝瀝，叫人煩惱。人工搭建冰場(chǎng)，則需建排水系統(tǒng)、沙礫層地基、加熱水泥層等，工序復(fù)雜，可移動(dòng)性較差，成本較高。
北京理工大學(xué)宇航學(xué)院教授張凱團(tuán)隊(duì)研制出了一種新型材料——凝膠冰雪。它最大的特點(diǎn)，就是“永不融化”。
用高聚物網(wǎng)絡(luò)鎖住水 凝膠冰雪升溫也不化
近日，在中國(guó)科技館，張凱團(tuán)隊(duì)制備的凝膠冰雪冰板在“科技冬奧”主題展上亮相。展臺(tái)不大，但吸引了不少路過(guò)的觀眾。大家出于好奇，都會(huì)伸手摸一摸。小朋友特別喜歡，半個(gè)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(shí)，常溫狀態(tài)下的凝膠冰雪，是一種水凝膠材料。它摸起來(lái)的質(zhì)感和果凍相近，但力學(xué)性質(zhì)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，還能把它卷起來(lái)——就像卷毯子一樣。
不融化的奧秘藏在一種親水的高聚物網(wǎng)絡(luò)中。這種網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、制備都大有講究。它由多種材料通過(guò)化學(xué)手段進(jìn)行聚合反應(yīng)形成，根據(jù)需求的不同，高聚物網(wǎng)絡(luò)的用材、形狀、交聯(lián)方式也不同。在沒(méi)有高聚物網(wǎng)絡(luò)時(shí)，升溫后，冰晶會(huì)融化成水；但加入高聚物網(wǎng)絡(luò)后，融化后的水，也被牢牢鎖在網(wǎng)格之中，無(wú)法逃脫。這樣一來(lái)，即使升溫，水凝膠依然能保持形狀的完整——它介于液體和固體之間。其實(shí)，我們熟悉的面膜、退熱貼等，都是水凝膠。
制作凝膠冰雪時(shí)，張凱團(tuán)隊(duì)特意選擇了生物相容性材料，無(wú)毒無(wú)害，自然環(huán)保，人們也可以盡情與它親密接觸。
給水凝膠加上一層自制冷裝置，就能做出冰板、冰墻。升溫時(shí)水不滴落，可以用于制作精美浮雕——這是世界上現(xiàn)有的唯一可長(zhǎng)期在冰上保存浮雕的技術(shù)方案。在中國(guó)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(yīng)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”，凝膠冰雪也易于攜帶和安裝。常溫下，可以把它卷起來(lái)，到了目的地，墊上一層冰板，加上制冷機(jī)組，就能讓它搖身一變，成為不融化的小型冰場(chǎng)。
凝膠冰雪能提供仿真冰無(wú)法比擬的真實(shí)冰雪體驗(yàn)感。而且，其原材料價(jià)格低廉，制備手段簡(jiǎn)單，無(wú)需昂貴的大型儀器，且使用過(guò)程中易于維護(hù)，成本相比人工造冰技術(shù)可大幅降低。
還有更多有意思的應(yīng)用。
比如，做冰雪主題的咖啡廳。凝膠冰雪制備的凝膠冰杯、冰碗，不融化、不失型，韌性強(qiáng)，不易摔碎，還能重復(fù)使用。想想看，顧客拿上一只精美的冰杯，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(wǎng)紅打卡點(diǎn)的潛力。
還能在材料上繼續(xù)“整活”。凝膠冰雪可引入具有光、電、磁等特性的元素，實(shí)現(xiàn)功能化設(shè)計(jì)，比如讓它發(fā)光發(fā)亮，或者做成冰箱貼。
張凱教授帶領(lǐng)的凝膠冰雪團(tuán)隊(duì)，屬于北京理工大學(xué)宇航學(xué)院力學(xué)系波動(dòng)力學(xué)團(tuán)隊(duì)，整個(gè)團(tuán)隊(duì)主要研究的是航天和水下大型裝備的減震降噪問(wèn)題。幾年前，他們開(kāi)始研究水凝膠，主攻方向是將它與聲學(xué)結(jié)合，研發(fā)面向海洋裝備和面向醫(yī)學(xué)的先進(jìn)聲學(xué)材料。例如，做B超時(shí)涂抹在人皮膚上的耦合劑，也是一種高分子水凝膠。團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型水凝膠，能讓病患體驗(yàn)更好，B超成像更清晰。“水凝膠是一種很有潛力的材料，未來(lái)在很多領(lǐng)域都能大顯身手?！睆垊P說(shuō)。
不過(guò)，將水凝膠和冰雪結(jié)合，在世界范圍內(nèi)，還是首創(chuàng)。張凱還記得，4年多以前，他收到了學(xué)校發(fā)來(lái)的郵件，鼓勵(lì)教師們積極發(fā)揮研究?jī)?yōu)勢(shì)服務(wù)北京冬奧會(huì)。張凱覺(jué)得，作為北京理工大學(xué)這所具有科技報(bào)國(guó)光榮傳統(tǒng)的高校的科研團(tuán)隊(duì)，該為推廣冰雪文化助力。2008年，張凱曾在現(xiàn)場(chǎng)看過(guò)北京奧運(yùn)會(huì)110米欄的比賽，奧運(yùn)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(ài)上冰雪，感受冰雪文化。”
團(tuán)隊(duì)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(bào)記者 張蓋倫