焦點資訊：一個青年科研團隊的“冰雪奇緣”

在2022年全國科技活動周暨北京科技周活動現(xiàn)場，一群孩子在一張“特殊”的桌上冰壺臺前玩得不亦樂乎。一只只冰壺在“冰”面上掠過，帶起陣陣涼意。

(資料圖片)

“這冰好涼。”一個孩子一邊把手掌按在“冰”面上一邊說。他還不知道，他正在觸摸的這塊“冰”永遠不會融化。

讓“冰雪”不會融化的“黑科技”

送走了玩耍的孩子，北京理工大學張凱教授從箱子中取出一塊透明無瑕、質(zhì)地柔軟如同果凍一般的材料，這便是冰壺球桌“冰”面的“本體”。張凱介紹，這種新型冰雪材料叫“凝膠冰雪”，其在冷凍后具有與天然冰雪幾乎相同的視感和觸感。

凝膠冰雪的基礎材料水凝膠一直是張凱教授團隊的重要研究對象。這支團隊長期聚焦水凝膠聲學理論、設計、表征和制備研究，并服務于深海水聲調(diào)控、超聲成像診斷等民用和軍工領域?！八z的應用十分廣泛。傳統(tǒng)材料分為氣體、液體、固體三種形態(tài)，而水凝膠處于固體和液體的交叉形態(tài)，作為水下材料具有很多天然的優(yōu)勢，例如在深海探測領域，傳統(tǒng)材料耐壓性和力敏感性不好，而水凝膠大約90%的成分是水，因此它的力敏感性好，有望成為深海探測領域的新材料。另外在醫(yī)療領域，與傳統(tǒng)耦合劑相比，水凝膠不會流淌且聲學性能好，在成像精度上更有優(yōu)勢，適于作為傳導超聲信號的介質(zhì)?！痹谥袊嗄陥笊纭皽嘏黄椒健敝辈ラg，張凱介紹說。

“北京冬奧會必將推動大眾冰雪運動和冰雪產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?！睆垊P說，在科技服務國家情懷的指引下，他和團隊產(chǎn)生了將水凝膠應用于冰雪領域的靈感，力爭解決后奧運會時代冰雪產(chǎn)業(yè)的發(fā)展痛點。

“真冰易融化，同時冰場建設、運行和維護的成本較高，使傳統(tǒng)冰雪產(chǎn)業(yè)發(fā)展受限。凝膠冰雪我們也叫它‘固體水’，它的主體成分依然是水，在冷凍狀態(tài)下是目前最接近天然冰的材料，而且它的力學性能比真冰還要好。一般的冰受壓就會碎裂，這就使得冰場在建設的時候，對制冷機組要求很高，而且在建設完成后基本不能斷電以防冰融化，運營成本較高?！睆垊P介紹說，凝膠冰雪韌性強，在被壓時不會產(chǎn)生裂紋，大大降低了機組的成本，未來使用凝膠冰雪的冰場便可根據(jù)冰場的實際使用人數(shù)去決定通電量，來調(diào)整冰面的大小，極大地降低運營成本。而與本質(zhì)為高聚物材料的“仿真冰”相比，凝膠冰雪內(nèi)部含有水分，因此不僅具有冰一般潤滑的效果，還具有“仿真冰”不具有的冰的觸感和視感。

那么凝膠冰雪是如何將水分“困”在其內(nèi)部的呢？張凱向記者道出了其中的“秘密”。原來，凝膠冰雪團隊在水中引入了由多種材料通過化學聚合反應形成的高聚物網(wǎng)絡，這種網(wǎng)絡可以有效鎖住水分子，使得水分子不能輕易移動，無法被外力擠出。當溫度升高時，水分也無法“逃離”凝膠冰雪，進而實現(xiàn)不融化的特性，這也是凝膠冰雪團隊最重要的一項突破。

“未來，我們還希望可以將凝膠冰雪與力電聲光熱相結(jié)合，制造出冰雪主題的嘉年華設施、文創(chuàng)產(chǎn)品、冷敷貼、冷鏈裝備等。以冷鏈裝備為例，傳統(tǒng)的冰在運輸過程中會融化成水，然后流淌、泄漏，而凝膠冰雪不會失水，而且可以做成具有承載能力的結(jié)構(gòu)材料，所以也許未來的冷鏈車就不會再像現(xiàn)在這個樣子了?！睆垊P說。

“我來自農(nóng)村，從小參與過一些農(nóng)業(yè)勞動，我覺得在未來，農(nóng)村的土地也會是水凝膠材料的一處很大的用武之地。我們可以利用水凝膠材料，實現(xiàn)在不同季節(jié)對肥料鎖水能力的調(diào)控?！蹦z冰雪團隊90后成員、北京理工大學宇航學院博士研究生漸南南說。

目前，該團隊已在北京理工大學唐山研究院成立凝膠冰雪技術創(chuàng)新研究中心，進一步推進產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

科研如“輕舟駛過萬重山”

一項新科研成果誕生的背后往往是無數(shù)個需要攻克的難題和枯燥寂寞的日夜。對于凝膠冰雪團隊來說，同樣不例外。

要想實現(xiàn)一個好的創(chuàng)意，就要設計并構(gòu)建材料的微觀組分和結(jié)構(gòu)，完成實驗室級別的制備和驗證，這也是團隊遇到的第一個難題。“我們團隊成員的專業(yè)主要包括材料、機械和力學，因此我們效率很高，當想出一個新的創(chuàng)意，需要新材料時，材料學專業(yè)的隊員就會進行制備，然后交給力學專業(yè)的隊員做分析、設計和測試，同時機械專業(yè)的隊員會負責制冷等技術環(huán)節(jié)。我們也擁有3D打印等技術，最后成功攻克了這個難題。”張凱說。

然而當面向冰雪產(chǎn)業(yè)時，新的問題又出現(xiàn)了。無論是冰場還是文創(chuàng)產(chǎn)品，都需要與人接觸，這就要求凝膠冰雪不僅成品無毒，其制備過程也要無毒。隨之而來的是一次又一次的嘗試、失敗、再嘗試、再失敗，而在解決問題的過程中新的問題又層出不窮。

“往往一個很小的難點，就能阻礙你很長時間。比如說并不是所有的水凝膠材料都能作為凝膠冰雪材料，有些材料冷凍后就會開裂，或者它的保水性能不好，水分容易被擠出。我們目前的這個可以應用于冰雪運動的材料是經(jīng)過了很多道工序，進行了上千次實驗之后才得到的?！蹦z冰雪團隊90后成員、北京理工大學宇航學院博士后左磊說。

張凱說，“凝冰冰雪”的科研過程不是一個一直在失敗、最終突然有一天取得成功的過程，而是不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程。其間，沒有哪個是大問題，哪個是小問題。在這一過程中，會有時被困難卡住無法繼續(xù)前行，但也會有解決問題后的意外之喜，會有時要面對他人的質(zhì)疑，但也在科學中尋找到了最真實的快樂。

“兩岸猿聲啼不住，輕舟已過萬重山”，這是張凱經(jīng)常用來形容他對科研工作理解的一句詩，“在往前走的時候，我們這一葉小舟看似沒有力量，但是沒關系，不管有何種聲音，我們都會沿著自己的路走過千山萬水。”

中青報·中青網(wǎng)記者 陳鼎 來源：中國青年報

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