永不融化的冰雪！北理工团队研发“凝胶冰雪”新型材料

2 月 20 日，2022 年北京冬奥会正式落幕。比赛期间，除见证各国奥运健儿的风采之外，开闭幕式上的 24 节气短片、《折柳寄情》等中国元素和现代科技的结合，引得一片叫好。

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图 | 凝胶冰雪（来源：张凯）与此同时，来自北京理工大学宇航学院的张凯教授和团队，以助力冬奥为初衷，研发出一款永不融化的凝胶冰雪。

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（来源：张凯）
据悉，凝胶冰雪 90% 以上的成分都是水，但却和自然冰雪具有相同的视感和触感。它最大的“神奇”之处在于，升高温度，自然冰雪可以迅速融化失型变为水，而凝胶冰雪即使在高温状态下依然能够保持固态的形态，永不融化。

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（来源：张凯）
张凯教授表示，当初的想法来源非常简单。大约四年前，他收到学校发来的邮件，鼓励教师们积极发挥研究优势服务 2022 北京冬奥会、冬残奥会。他表示：“在学校科技报国光荣传统的感染下，我深刻意识到作为在北京的科研团队，应该为北京冬奥会做点什么，为推广冰雪文化助力。”

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（来源：张凯）另外，2008 年北京奥运会时，张凯教授还在读研究生，他曾在现场看过 110 米栏的比赛，奥运氛围给其留下了深刻印象。作为生活在全球目前唯一一个双奥之城北京的科研工作者，他想用实际行动参与进去, 感受奥林匹克的文明。

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图 | 张凯在参加电视节目（来源：张凯）"一代材料、一代装备" 。在这样的背景下，张凯教授将自己的研究方向——水凝胶和冰雪运动结合，开发出了这款凝胶冰雪。目前，该材料已申请相关专利 24 项，授权 9 项。

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（来源：张凯）凝胶冰雪的研发核心：调控微观结构，有效“锁住”水分子

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亲水的高聚物网络，是凝胶冰雪不融化的奥秘所在。在设计和制备工艺上，这种亲水的高聚物网络是多种材料通过物理和化学手段交联所得，且形成高分子网络的材料多来源于天然生物材料。

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（来源：张凯）需求不同，形成高聚物网络所选取的材料和交联方式也不相同。在没有高聚物网络时，升温后，冰晶会融化成水；而在加入高聚物网络后，即便冰晶融化成水，融化后的水也会被锁在网络里面"插翅难逃" 。这意味着就算温度升高，凝胶冰雪的形状依然非常完整，永不融化。由于凝胶冰雪的应用场景主要面向大众型冰雪运动，因此在制作时，张凯教授团队特意选择了生物相容性高的材料，无毒无害、自然环保，用户可以和它尽情亲密。针对凝胶冰雪材料的各项性能，张凯教授团队经过多年研究已开发出多种工艺配方，并形成一个完整的"材料-性能"数据库。举例来说，建设平面冰壶场地和构建立体雕塑所使用的凝胶冰雪材料，各自对于承重能力的要求肯定不一样，因此对应的力学性质也会不同。根据不同的应用场景，考虑凝胶冰雪在低温-常温-高温三个阶段的力学属性，他们都可以根据现有材料-性能数据库匹配最优凝胶冰雪材料及其制备工艺，进而确定材料体系。张凯教授表示，该工作主要由他和左磊博士、以及几名研究生利用业余时间完成的。他们主要通过参加科创比赛、基于团队已有基础、利用创新思维来培育该项目。此外，该校宇航学院和波动力学实验室，都给张凯教授团队提供了平台支撑。研究中，张凯教授遇到的最大挑战就是将水凝胶与冰雪运动的特殊需求结合。通常研究中的水凝胶样品尺寸都比较小，但在实际使用中尺寸必须得更大。此外，为更加切合应用，就得考虑成本和使用环境的具体要求。因此，如何制备大尺寸的材料、如何选择成本低廉、生物兼容性好且无毒无害的原材料，是他遇到的挑战和困难。其表示，凝胶冰雪解决的基础科学问题在于不同温度下凝胶材料力学性能的多重调控，即处于高温状态的凝胶冰雪，也不会融化、更不会变形；处于常温下时，它优异的力学性能保证自身不会被破坏；处于低温时，则最接近天然冰的摩擦、硬度等力学属性。

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