成就简介

2022年2月4日至3月13日，北京2022年冬奥会和冬残奥会的成功举办举世瞩目。他们用许多先进的技术给世界留下了深刻的印象，从开幕式上使用的出色的数字显示系统到付娜和跨临界二氧化碳制冷系统。然而，在更小的范围内——超出我们肉眼所能看到的范围——纳米技术为冬奥会的成功做出了重大贡献。为了回答纳米技术如何让运动员“更快、更高、更强”，促进冬奥会发展的问题，这篇由清华大学徐华平教授发表在ACS Nano上的论文，重点介绍了纳米技术在滑冰、可穿戴监测设备、滑雪装备和冬季运动中的代表性案例。并解释了它们的物理和化学原理和令人印象深刻的应用。

图形指南

2.1滑冰中的纳米科学

滑冰是冬季奥运会的一个主要项目。运动员的快速速度和令人难以置信的技巧得益于光滑的冰面。为什么冰这么滑？这个科学问题已经讨论了几百年了。一般认为滑冰是通过在冰面上形成一层水层来润滑冰鞋(图1)。然而，关于水层的起源仍然存在争议:它是表面融化、压力诱导融化还是溜冰鞋产生的摩擦加热的结果？由压力引起的熔化已被否认。虽然冰的熔点在表面压力下会降低，这符合克拉佩隆方程，但这种降低不足以在可以滑冰的低温下融化冰。此外，波恩的工作表明，摩擦系数与滑动速度无关，从而影响摩擦生热，说明摩擦生热在冰润滑中并不起重要作用。

1.(a)冰刀与冰面接触示意图。(b)冰上表面动力学模拟。(c)通过X射线衍射、X射线吸收、椭偏测量和两种计算机模拟方法获得的液体层厚度。(d)不同温度下冰的摩擦系数。

为了解释独特的润滑性能，建立了纳米级表面分子模型(图1c)。与大块冰相比，其表面的水分子由于氢键的减少和平移运动的能垒降低而具有更高的流动性。根据摩擦系数与温度的相关性，冰面在-7℃时最光滑，这是专门为本届奥运会预留的。这可能是本届奥运会冰面比往届奥运会更光滑的原因之一，也是滑冰领域大量世界纪录被打破的原因之一。

2.2可穿戴监控设备

纳米技术在三个方面为柔性电子设备提供了重要支持。首先，电功能是由多种纳米材料提供的，包括Ag/Cu纳米颗粒和纳米线、碳纳米管、石墨烯、二维材料等。在2022年冬奥会上，清华大学研究团队的冯教授为越野滑雪运动员开发了一种可穿戴柔性电子设备，用于监测训练过程中的生理信号。基于在柔性设备领域的经验，冯教授的团队制作了一种集成了柔性温度传感器、柔性心电图(ECG)传感器、蓝牙4G数据传输主机和导电柔性织物电极的胸带(图3)。当运动员佩戴这种背带时，该设备将持续收集运动员的心率、心电图、体温、速度和海拔等信息，并通过自身的4G模块将这些信号返回给可视化系统。这样就可以实时监控运动员的生理信息、位置信息、速度信息等重要数据。

图3。穿戴式监护(心率、心电图、体温、速度、海拔)设备系统示意图

随着纳米技术的发展，特别是刺激响应、导电纳米材料和功能纳米结构的发展，柔性器件将变得更薄、更灵敏、集成度更高，并表现出更好的力学性能。其他体育运动、大众健身、医疗健康监测等领域可以利用柔性电子实现精准监测和服务。

2.3运动设备

现代体育器材的发展为“更快、更高、更强”的奥林匹克格言做出了巨大贡献。更重要的是，该设备还可以保护运动员，提供更好的运动体验。纳米材料和聚合物在制造先进的运动器材中一直扮演着重要的角色。

图4。(a)典型滑雪护目镜的结构和用于涂层的纳米颗粒的SEM图像。(b)不同角度不同颜色的反光涂层示意图。(c)不同含量的聚合物改性ZnO纳米粒子的抗紫外涂层的紫外-可见光谱。(d)不同纳米结构表面的亲水性

图5。(a)滑雪板的多层结构。(b)具有纳米晶相和非晶相的结晶PE纤维中的分子排列示意图。(c)描述固体表面、液滴和空气体之间接触的Cassie模型。(d)CuO纳米线(θ>:90°)和CuO纳米线疏水表面上的液滴。

2.4冬季保护

冬奥会户外项目中，运动员需要保护自己免受周围低温的影响，但较厚的衣服会影响成绩。在以往的比赛中，我们发现运动员在雪上比赛中只穿单薄的运动服。单薄的衣服如何保护运动员免受寒冷天气的影响？其中一项关键技术是柔性石墨烯电热复合纳米纤维。

图6。(一)滑雪者和石墨烯示意图。(二)石墨烯/棉纺织品和SEM (1000×)石墨烯/棉复合纤维。(c)换热器石墨烯系统传热过程简化示意图:(1)热传导；(2)热辐射。

石墨烯表现出高热导率和晶格振动发出的红外辐射。与传统导线相比，石墨烯复合纳米纤维更柔韧，与纺织纤维兼容(图6b)。最后，基于电子加热的石墨烯纺织品在可穿戴加热系统和热疗方面显示出巨大的潜力。在冬季户外运动中，石墨烯复合纳米纤维的衣服主要通过热传导和热辐射为运动员保暖(图6c)。当电流流过石墨烯复合纳米纤维时，会产生焦耳热(过程1)。同时，碳原子内部石墨烯晶格的热运动会产生红外线(过程2)，可以提高温度，促进血液循环。通过引入一些具有固有红外辐射的材料，如玻璃纤维，可以进一步提高红外发射率。未来，这项技术还将在汽车热管理系统、特种取暖服装和低温环境服装、医疗卫生设备等领域产生更多专业产品。

2.5奥林匹克印刷品

奥运会印刷品，如服务手册和观众指南，是运动员和其他人不可或缺的纸质材料。考虑到残疾人尤其是盲人的无障碍性，本届冬奥会和冬残奥会采用基于纳米材料的绿色盲文打印技术打印纸质材料，并与正常文字和盲文进行对比。

中科院宋教授研发的绿色盲文技术是北京2022年冬奥会的亮点之一。这种绿色技术改变了传统的通过冲压金属板来出版盲文的方式。盲文是在疏水性基底上通过喷墨打印制成的，是由含有纳米颗粒和可固化树脂的液滴通过可控的3D微结构制成的。

图7。(a)可控3D微结构喷墨打印过程的示意图，以及显示液滴中纳米颗粒组装形态的SEM图像。(b)盲文印刷流程示意图。(c)通过绿色印刷盲文技术制作的奥运印刷材料。

《北京2022年冬奥会及残奥会观众指南》中英文版、《北京冬残奥会运动员及随队服务手册》等纸质资料采用绿色盲文印刷技术(图7d)。这项由中国自主研发的技术方便了残疾人获取信息，体现了人文关怀，展示了国家形象，为奥运会和残奥会留下了独特的遗产。

3摘要

本文介绍了纳米技术如何促进冬奥会和残奥会的代表性实例，包括滑冰、可穿戴监测设备、滑雪装备、冬季防护和奥运印刷中的纳米技术。展望未来，我们预计奥运会上使用的纳米技术将在体育以外的应用中发挥更大的作用。比如冰面纳米科学可以促进超润滑表面的发展，减少磨损和能耗，与冰川学有关。基于纳米技术的柔性设备不仅可以用于运动员的健康监测和运动分析，还可以扩展到个性化、智能化的可穿戴监测设备，成为数字医疗的重要组成部分。

此外，柔性传感器和织物将实现高精度的运动捕捉，并在电影、动画、VR游戏设备、元宇宙等领域发挥作用。纳米技术支持的超疏水表面有望应用于日常生活，如防水织物和纺织品。石墨烯基电子发热纺织品具有优异的隔热性能。预计这项技术将超越冬奥会，并在一系列方面带来其他应用，如在寒冷环境下跑步和隔热设计等。由于这项技术，人们可以在寒冷的天气里摆脱笨重的衣服。

除上述方面外，纳米技术在一些相关领域发展迅速，包括:

(1)信息技术和纳米器件。纳米技术有望使电子设备具有更高的集成度和计算性能。

(2)纳米医学和纳米诊断学。这包括纳米药物、给药系统、用于疾病诊断和药物释放的纳米传感器或机器人等。

(3)纳米与能量。纳米技术将提高电池性能、容量和储能，提高太阳能等可再生能源的利用效率。

(4)纳米催化和绿色技术。绿色高效的纳米催化剂将提高化学工业的原子经济性和环境友好性。

总之，纳米技术帮助人类不断突破身体极限，在奥运会上争取“更快、更高、更强”。纳米技术不仅在奥运会的各个方面，而且在人类社会的日常生活和发展中做出了不可替代的贡献。就像北京2022年冬奥会的口号“一起走向未来”，人类社会将随着纳米技术的发展共享更加美好的未来。

文学:

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c03346