齊 佳
(西安醫(yī)學(xué)院,陜西西安710021)
納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度(0.1~100 nm)范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。納米材料及其相應(yīng)的制取、組合技術(shù)已成為21世紀(jì)世界科技發(fā)展中的主流方向,也是世界各國最主要的研究熱點(diǎn)之一。納米科技對于人類生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生了重大的影響,對促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造和升級意義重大,將有可能引發(fā)下一場工業(yè)革命,成為21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)的新增長點(diǎn)。鑒于納米科技所孕育極為廣闊的應(yīng)用前景,美國、日本、英國等發(fā)達(dá)國家都對納米科技給予了高度重視。納米技術(shù)廣泛影響了環(huán)境、能源、信息、生命健康等諸多其他產(chǎn)業(yè),并且具有極其廣闊的發(fā)展前景。未來,以下產(chǎn)業(yè)或領(lǐng)域有望通過納米技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)技術(shù)或市場突破[1],見圖1。
圖1 通過納米技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破的領(lǐng)域[1]Fig.1 Fields that achieve technological breakthroughs through the application of nanotechnology
現(xiàn)代體育正朝著更快、更高、更強(qiáng)的方向發(fā)展,這要求運(yùn)動設(shè)施發(fā)展速度趕上運(yùn)動的發(fā)展。運(yùn)動器材和運(yùn)動設(shè)施的質(zhì)量直接影響某項(xiàng)體育賽事的普及程度和運(yùn)動水平。因此,將納米材料應(yīng)用于體育運(yùn)動將一定對體育產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生持久的影響。
納米技術(shù)被定義為在0.1~100 nm范圍內(nèi)對物質(zhì)的理解和控制,其中獨(dú)特的現(xiàn)象可以實(shí)現(xiàn)新穎的應(yīng)用。盡管人類在整個人類歷史上都接觸過納米顆粒,但在工業(yè)革命期間急劇增加。納米顆粒的研究不是新的,“納米”的概念最早由1925年諾貝爾化學(xué)獎獲得者Richard Zsigmondy提出。他創(chuàng)造了“納米”一詞來明確描述粒徑,他是第一個使用顯微鏡測量諸如金膠體之類的粒徑的人。
現(xiàn)代納米技術(shù)是1965年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者Richard Feynman首次提出的[2]。1959年在加州理工學(xué)院舉行的美國物理學(xué)會會議上,他發(fā)表了題為“底部有足夠的空間”的演講,其中他介紹了在原子水平上操縱物質(zhì)的概念。這個新穎的想法展示了新的思維方式,費(fèi)曼的假設(shè)自此被證明是正確的。由于這些原因,他被認(rèn)為是現(xiàn)代納米技術(shù)之父。
1990年7月,第一次國際納米技術(shù)會議在巴爾的摩舉行,這標(biāo)志著納米技術(shù)的誕生。在加利福尼亞技術(shù)學(xué)院舉行的美國物理學(xué)會會議上,理查德·費(fèi)曼等物理學(xué)家提出了許多基于納米科學(xué)和納米技術(shù)的思想和觀念。物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼(Richard Feynman)描述了科學(xué)家可以操縱和控制單個原子和分子的過程。現(xiàn)代納米技術(shù)的時代始于1981年,距超精密加工的探索已經(jīng)過去了十多年,當(dāng)時開發(fā)了一種可以看到單個原子和分子的掃描隧道顯微鏡。最終,納米技術(shù)具有改善科學(xué)的潛力,例如化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)和工程學(xué)[3]。
納米技術(shù)對體育運(yùn)動的競爭程度也產(chǎn)生了顯著影響。在運(yùn)動器材的市場中,納米技術(shù)具有許多優(yōu)勢(如圖 2所示),并具有巨大的潛力來改進(jìn)運(yùn)動器材,從而使運(yùn)動員比以往任何時候都更加安全、舒適和敏捷。不同運(yùn)動領(lǐng)域的納米材料為運(yùn)動器材帶來了很多好處。通過在運(yùn)動場館的建造中使用納米材料,從屋頂和地板到墻壁和玻璃,今天的運(yùn)動場館發(fā)生了巨大變化。
圖2 納米技術(shù)在體育領(lǐng)域中的優(yōu)勢Fig.2 Advantages of nanotechnology in sports
近年來,各種形式的納米材料已經(jīng)滲透到體育工程領(lǐng)域,極大地促進(jìn)了體育科學(xué)和人文發(fā)展。納米材料科學(xué)是一個生機(jī)勃勃、發(fā)展最快的領(lǐng)域。納米技術(shù)在運(yùn)動中的應(yīng)用包括主要使用的納米材料,例如碳納米、二氧化硅納米顆粒、富勒烯、碳納米顆粒,它們在運(yùn)動器材中具有多種性能。
碳納米技術(shù)開始于20世紀(jì)90年代,它的呈現(xiàn)使國家經(jīng)濟(jì)有了很大的改善和提高。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)屬于層次類型,在催化和器件領(lǐng)域可以表現(xiàn)出特殊的化學(xué)性質(zhì)。與此同時,新型納米材料出現(xiàn)于石墨烯和納米管之后,現(xiàn)在新型碳納米材料成為許多研究領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)[4]。
(1)碳納米管。碳納米管是由碳原子形成的石墨烯片層卷成的無縫、中空的管體,一般可分為單壁碳納米管、多壁碳納米管和雙壁碳納米管。
(2)碳纖維。分為丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維兩種。碳纖維質(zhì)輕于鋁而強(qiáng)力高于鋼,它的比重是鐵的1/4,強(qiáng)力是鐵的10倍,除了有高超的強(qiáng)力外,其化學(xué)性能非常穩(wěn)定、耐腐蝕性高,同時耐高溫和低溫、耐輻射、消臭。
(3)碳球。根據(jù)尺寸大小將碳球分為:a)富勒烯族系Cn和洋蔥碳(具有封閉的石墨層結(jié)構(gòu),直徑在2~20 nm之間),如C60、C70等;b)未完全石墨化的納米碳球,直徑在50nm~1μm之間;c)碳微珠,直徑在11μm以上。另外,根據(jù)碳球的結(jié)構(gòu)形貌可分為空心碳球、實(shí)心硬碳球、多孔碳球、核殼結(jié)構(gòu)碳球和膠狀碳球等。
二氧化硅是一種用于生產(chǎn)玻璃的材料,其特征是導(dǎo)熱不良。二氧化硅涂層構(gòu)成氣凝膠的骨架,氣凝膠主要是空氣和二氧化硅組成,由于空氣和二氧化硅的導(dǎo)熱系數(shù)都非常低,因此它們是出色的絕緣體。這些特性使納米氣凝膠成為目前最好的隔熱材料之一。
富勒烯是一種類似空心球的同素異形碳改性物。球形富勒烯看起來像一個足球。1990年以后,當(dāng)Kratschmer和Huffman發(fā)現(xiàn)了用電弧法制備的方法之后,開始大量生產(chǎn)具有C60分子的富勒烯和其他富勒烯的宏觀量[5]。
碳納米顆粒已被廣泛應(yīng)用于運(yùn)動,例如公路賽車。聚合物材料(如碳納米粒子)的電導(dǎo)率可通過摻入導(dǎo)電填料而大大提高。
賴斯大學(xué)的最新發(fā)現(xiàn)是持續(xù)了十多年的研究結(jié)果,盡管如此,它還是引起了很大的震驚。賴斯大學(xué)的科學(xué)家,美國空軍和以色列理工學(xué)院發(fā)現(xiàn),他們生產(chǎn)了一種新型的碳微管(CNTs),即看起來與紡織纖維相似的微纖維,或者帶有熱和電的金屬絲[6]。
體育活動需要特定的設(shè)備和器械以及設(shè)備的材料質(zhì)地和設(shè)計(jì),這在體育發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。納米技術(shù)在體育領(lǐng)域中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩大方面∶一是在體育基本設(shè)施上的應(yīng)用,如運(yùn)動場館、運(yùn)動器材、運(yùn)動服裝和運(yùn)動生物學(xué)等項(xiàng)目的建設(shè)。二是在體育器材上的應(yīng)用,如增強(qiáng)高爾夫、網(wǎng)球、游泳、賽車和自行車運(yùn)動中。納米技術(shù)具有巨大的潛力,可以改善體育領(lǐng)域的各個方面。
(1)納米材料在運(yùn)動場館建設(shè)中的應(yīng)用
運(yùn)動場館是人們進(jìn)行運(yùn)動訓(xùn)練、體育活動和體育鍛煉的專業(yè)場所,是運(yùn)動的物質(zhì)基礎(chǔ)。從體育場的墻壁、地板和玻璃到吸音板等,納米材料已參與到體育館的建設(shè)中,可防止液態(tài)水滲透,這使石材更易于加工清潔。該膜還可以保持石材的質(zhì)地和呼吸作用,避免長時間積聚水分,防止形成銹蝕和缺陷,并延長其使用壽命。專門用于玻璃幕墻的TiO2納米保護(hù)液也被應(yīng)用到玻璃天花板上,涂布后的玻璃表面具有超親水性。該特性可以使水完全均勻地散布在玻璃表面上,并使玻璃和污染物充分濕潤,并通過水的重力帶走污染物,并且不附著灰塵,從而實(shí)現(xiàn)自吸,清潔效果并保持玻璃的長期整潔度。在涂料中添加納米二氧化鈦,不僅可以屏蔽紫外線,還可以最大限度地減少甲醛、氨、苯等揮發(fā)性物質(zhì),因此具有凈化室內(nèi)空氣的作用。
(2)納米材料在田徑運(yùn)動中的應(yīng)用
納米材料的塑料水泥跑道比普通運(yùn)動場館使用的聚氨酯要好,因?yàn)樗哂懈玫目鼓Σ列阅埽梢宰C明并符合國際環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。納米材料軌道是在傳統(tǒng)軌道上添加一定比例的納米材料并采用一定的手段,生產(chǎn)納米材料聚氨酯,可以改變其物理性質(zhì)。通過實(shí)驗(yàn)比較,納米材料不僅具有適當(dāng)?shù)膹椥?、耐磨性、耐老化性和硬度,而且還具有較好的力學(xué)性能,其質(zhì)量是普通聚氨酯的兩倍。當(dāng)在納米材料賽道上比賽時,運(yùn)動員會感到更加舒適。
(3)納米材料在運(yùn)動草坪上的應(yīng)用
隨著現(xiàn)代體育的發(fā)展,將會有人造草坪取代天然草坪的趨勢。在激烈的競爭中,人造草坪的強(qiáng)度和柔韌性越來越不足,這是草坪纖維的關(guān)鍵部分。我們可以采用硅烷A和超分散流體B來處理其表面。通過熔化的方法,得到低密度的材料,由納米級CaCO3材料制成的運(yùn)動草坪。研究表明,納米材料CaCO3在硅烷A和超分散液B的作用下將發(fā)揮最佳功能。纖維的晶體會隨著CaCO3的增加而增加,從30.5%增加到32.5%。納米材料CaCO3在纖維的分解,斷裂等方面,對纖維具有更好的效果,并且比家用產(chǎn)品具有更好的功能。在運(yùn)動草坪上有很好的應(yīng)用。
(4)納米材料在運(yùn)動場空氣凈化中的應(yīng)用
運(yùn)動場館有了很大的進(jìn)步,人們對空氣凈化的功能越來越關(guān)注。傳統(tǒng)上我們采用陰離子對空氣進(jìn)行凈化,實(shí)際上它只是新鮮空氣,幾乎不能去除任何污染物。然而,一種新型的空氣凈化裝置可以克服這些缺點(diǎn),從而達(dá)到更好的效果。它具有超強(qiáng)的氧化還原能力,可以殺死細(xì)菌、病毒、制劑等,以達(dá)到新鮮的目的。將納米材料TiO2放入混凝土中,利用其光催化作用制成光化學(xué)混凝土。在光的照射下,TiO2可以去除空氣中的NO2。
(1)網(wǎng)球中的納米技術(shù)
網(wǎng)球拍和羽毛球拍都采用了先進(jìn)的納米材料技術(shù)。在減輕球拍重量的前提下,增強(qiáng)球拍的彈性和手感。威爾遜的網(wǎng)球拍將納米材料SiO2放入碳纖維材料中,以保護(hù)其結(jié)構(gòu),獲得更高的強(qiáng)度和耐用性。日本SRI體育公司生產(chǎn)了結(jié)實(shí)的網(wǎng)球拍,它的重量僅為空氣的三倍,但強(qiáng)度卻是空氣的4000倍。YONEX還成功地將納米材料放入了碳原子中[7]。提高30%的強(qiáng)度,10%的耐久性和兩倍的穩(wěn)定性。
(2)自行車中的納米技術(shù)
2008年的法國巡回賽,瑞士的Phonak團(tuán)隊(duì)的運(yùn)動員使用帶有鋼管的自行車進(jìn)行比賽,其重量不超過一公斤,強(qiáng)度很高。納米材料中鋼的摻雜只有1.3%,可將自行車的功能提高15%至25%,而其重量減輕15%[8]。
(3)運(yùn)動艇中的納米技術(shù)
運(yùn)動艇減摩涂層是中國科學(xué)院專家的一項(xiàng)獨(dú)立研究成果,它比目前普遍使用的拋光蠟的船只具有更多的優(yōu)勢。減摩劑在以氟蠟為基體材料的固化過程中具有較強(qiáng)的抗磨性,通過表面改性和特殊處理,具有納米顆粒的包埋和微拋光作用,使其分散在蠟基中[9]。減摩劑可通過手工或機(jī)械擦涂技術(shù)涂覆在船底,從而形成超薄功能的超薄改性,且無增重、無污染,具有拋光、防污、稀水和防水粘合性,因此,對運(yùn)動艇表面進(jìn)行了許多改性。減摩涂層可用于淡水環(huán)境,可顯著降低船的水力阻力。船上的流體阻力對比測試去掉了減阻器后,在3.5~6.5 m/s的船速極限(匹配速度范圍)內(nèi),它可使世界頂級運(yùn)動船對水的摩擦阻力降低1%~1.5%。
(4)游泳中的納米技術(shù)
納米創(chuàng)新是“LZR Racer泳衣”,由于其革命性的空氣動力學(xué)特性,如今,大多數(shù)專業(yè)泳者都在使用它。例如,美國游泳選手邁克爾·菲爾普斯(Michael Phelps)能夠打破七項(xiàng)世界紀(jì)錄的同時獲得八枚金牌,還有25人在這次奧運(yùn)會上打破了世界紀(jì)錄。盡管他們的驚人運(yùn)動能力毋庸置疑,但高科技泳衣在這些世界紀(jì)錄比賽中的作用也無可置疑[10]。
(5)高爾夫中的納米技術(shù)
通過增強(qiáng)設(shè)備,納米技術(shù)改變了高爾夫的玩法。一種新設(shè)計(jì)的高爾夫球桿,桿的長而狹窄的部分覆蓋有納米材料,使我們能夠通過確保高爾夫球頭的速度來減輕重量并提高強(qiáng)度。威爾遜公司不僅在高爾夫球桿中使用納米材料,而且還通過將納米材料與石墨纖維混合,在運(yùn)動中使用納米技術(shù)占主導(dǎo)地位。使用電化學(xué)電池進(jìn)行電沉積,帶負(fù)電的金屬溶解,金屬原子重新沉積在帶正電的球桿頭上。球桿桿頭表面的納米顆粒金屬致密層導(dǎo)致球桿桿面更輕更堅(jiān)固(圖3)。納米填充了桿中的小間隙,從而使間隙更牢固、更一致。
圖3 球桿桿頭表面上的納米晶粒金屬致密層[11]Fig. 3 Nano-grained metal dense layer on the surface of the club head
(6)撐竿跳高中的納米技術(shù)
北京奧運(yùn)會期間,女子撐竿跳高金牌獲得者伊辛巴耶娃(Isinbayeva)使用的碳纖維桿頭和尾部采用了大量納米材料,桿體重量輕,可以彎曲到90°儲存大量能量,并快速反彈。隨著現(xiàn)代桿生產(chǎn)技術(shù)的成熟和完善,根據(jù)桿的應(yīng)力差和上下彎曲弧度,設(shè)計(jì)出強(qiáng)度最合理的不同零件,并生產(chǎn)出“個性化”桿。納米材料的應(yīng)用將撐竿跳高的性能得到顯著提高。
(7)沖浪中的納米技術(shù)
檀香山的Oceanit Laboratories Inc.公司是2006年第一家生產(chǎn)嵌入納米材料的沖浪板的公司。它做出了世界上第一個“納米”沖浪板,將納米材料加入環(huán)氧樹脂涂料中后使沖浪板比普通的環(huán)氧樹脂更堅(jiān)固。
來自Sea City的沖浪者Andy Jordan提出了一種防水解決方案,使用納米產(chǎn)品使沖浪板變薄。它被定義為一種平板增強(qiáng)器,可以滿足沖浪板底部的所有不規(guī)則之處[12]。這些產(chǎn)品由數(shù)百萬個分子結(jié)合的銀、玻璃、陶瓷和鉆石顆粒組成。應(yīng)用于沖浪板的表面約為30nm。
(8)競技運(yùn)動中的納米技術(shù)
納米銀等材料在田徑運(yùn)動中的應(yīng)用是無毒、無味、無變質(zhì)、無分解且不會刺激人體皮膚的。中國已經(jīng)在運(yùn)動鞋的開發(fā)中添加了納米銀,以使其具有抗菌性。納米纖維在摩擦制動中起著至關(guān)重要的作用,特別是對于球手來說,起步和制動都很重要。此外,人們正在不斷提高納米纖維的彈性并減輕其重量。這樣,可以大大提高鞋子的彈性勢能和可變速率[13]。
納米技術(shù)可以用于營養(yǎng)補(bǔ)充劑的研究,可以將營養(yǎng)成分加工成納米粉或懸浮液,以提高人體的吸收率,更好地發(fā)揮營養(yǎng)補(bǔ)充劑的生物活性,提高運(yùn)動能力,促進(jìn)人體健康。釋放運(yùn)動中的疲勞感,并確保運(yùn)動員的健康。微量元素硒在生物活動中起著重要而不可或缺的作用。納米硒是繼有機(jī)硒之后的更新硒補(bǔ)充劑,具有生物活性高、安全指數(shù)高、技術(shù)含量高、純度高、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。生物學(xué)實(shí)驗(yàn)表明,納米硒具有神奇的生物活性,其急性毒性是無機(jī)硒的1/7,有機(jī)硒的1/3。另一方面,與無機(jī)硒相比,納米硒粒子清除自由基的活性提高了5倍,超氧陰離子和過氧化氫的清除能力大大提高,其對免疫調(diào)節(jié)和抑制腫瘤的敏感性也大大增加[14]。
2016年,全球運(yùn)動器材市場約為649億美元,預(yù)計(jì)將以12.2%的速度增長。運(yùn)動球類裝備的市場份額占總市場價值的23.7%,代表最大的市場份額。在各種納米材料中,碳納米管是用于納米增強(qiáng)運(yùn)動設(shè)備(例如高爾夫球桿、球拍、滑雪板、滑雪板等)最杰出的納米材料。2016年,碳納米管的全球市場(各種等級)約為1.92億美元,并且預(yù)計(jì)的復(fù)合年增長率為22.4%,到2020年將達(dá)到5.27億美元[15]。運(yùn)動器材是碳納米管市場的主要領(lǐng)域之一,約占碳納米管年消費(fèi)總量的14%,在不久的將來很可能會更多。納米材料可以使某些運(yùn)動器材好很多。在市場上變得更暢銷,甚至在性能/耐用性方面提高了10%~20%。
盡管納米材料具有各種優(yōu)勢,但由于該技術(shù)價格昂貴且處理復(fù)雜,因此市場上沒有大量的納米技術(shù)增強(qiáng)型運(yùn)動器材。因此,在體育領(lǐng)域繼續(xù)對納米技術(shù)進(jìn)行技術(shù)開發(fā)與工程應(yīng)用優(yōu)化是社會需求,將能帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益。
納米技術(shù)是一項(xiàng)影響我們?nèi)粘I罡鱾€領(lǐng)域的新技術(shù),目前大多數(shù)納米技術(shù)產(chǎn)品隨處可見。作為奧運(yùn)會的環(huán)保角色模范項(xiàng)目,首都體育館已將納米材料投入建設(shè)。納米材料科學(xué)技術(shù)將作為一個新興的科學(xué)領(lǐng)域,對體育產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響,但仍需要找到與納米材料和技術(shù)以及競技體育相匹配的突破點(diǎn)。許多杰出的運(yùn)動員選擇納米制造的運(yùn)動器材來提高其性能。但是由于這是一套技術(shù),因此不是每個運(yùn)動員都能買得起納米增強(qiáng)的運(yùn)動器材。因此,需要將該納米技術(shù)以普遍化產(chǎn)品在體育領(lǐng)域推廣開來,增大技術(shù)的普及程度和運(yùn)動水平,讓每位運(yùn)動員享受公平的運(yùn)動體驗(yàn),讓每位運(yùn)動愛好者享受高技術(shù)的洗禮。