成果简介

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。他们凭借众多先进技术给世界留下了深刻的印象，从出色的开幕式中使用的数字显示系统，到人工造雪和跨临界CO 2制冷系统。然而，在更小的规模上——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。为解答纳米技术如何让运动员“更快、更高、更强”的问题，促进冬奥会的发展，本文，清华大学许华平 教授团队在《ACS Nano》期刊发表名为“Nanotechnology in the Olympic Winter Games and Beyond”的论文，研究重点介绍了纳米技术在滑冰、可穿戴监测设备、滑雪运动装备、冬季运动等方面的代表性案例。保护和奥林匹克印刷，并说明了它们的物理化学原理和令人印象深刻的应用。

图文导读

2.1 滑冰中的纳米科学

滑冰是冬奥会的一项重大项目。运动员的快速速度和令人难以置信的技术得益于光滑的冰面。为什么冰面这么滑？这个科学问题已经讨论了数百年。人们普遍认为，滑冰是通过在冰表面形成水层来润滑冰鞋（图1）。但是关于水层的起源仍然存在争议：它是表面融化、压力诱导融化还是冰鞋产生的摩擦加热的结果？压力引起的熔化已被否认。尽管冰的熔点在表面压力下会降低，这符合克拉佩龙方程，但这种降低不足以在可以滑冰的低温下融化冰。此外，Bonn 的工作表明摩擦系数与滑动速度无关，从而影响摩擦加热，表明摩擦加热在冰面润滑中起不重要作用。

图1. (a) 冰鞋与冰面接触示意图。(b) 冰面上的表面动力学模拟。(c) 通过 X 射线衍射、X 射线吸收、椭圆偏光法和两种计算机模拟方法获得的液层厚度。(d) 不同温度下冰的摩擦系数.

为了解释独特的润滑性能，建立了纳米级的表面分子模型（图1c）。与大块冰相比，由于氢键数量减少和平移运动的能垒较低，其表面的水分子具有更高的流动性根据摩擦系数与温度之间的相关性，冰面在-7°C时最滑，这是本届奥运会特意保留的。这可能是本届奥运会冰面比往届更滑的原因之一，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，电气功能由多种纳米材料提供，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，清华大学冯教授的研究团队开发了一种可穿戴的柔性电子设备，用于越野滑雪运动员在训练过程中监测生理信号。冯教授团队基于在柔性设备领域的经验，制作了一款集柔性温度传感器、柔性心电图（ECG）传感器、蓝牙4G数据传输主机、导电柔性织物电极于一体的胸带（图3）。当运动员佩戴这条背带时，该设备会不断采集运动员的心率、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. 可穿戴监测（心率、心电图、体温、速度和海拔）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、更集成，并表现出更好的机械性能。其他运动与公共健身、医疗健康监测等领域都可以借助柔性电子实现精准监测和服务。

2.3 运动器材

现代体育装备的发展，为“更快、更高、更强”的奥运格言做出了重大贡献。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始终发挥着重要作用。

图4. (a) 典型滑雪护目镜的结构和用于涂层的纳米粒子的 SEM 图像。(b) 不同角度反射涂层和不同颜色的原理示意图。(c) 不同含量的聚合物改性ZnO纳米粒子的抗紫外线涂层的紫外-可见光谱。(d) 具有不同纳米结构的表面的亲水性

图5. (a) 滑雪板的多层结构。(b) 具有纳米级结晶相和无定形相的结晶PE纤维中的分子排列示意图。(c) 描述固体表面、液滴和空气之间接触的Cassie模型。(d) CuO纳米线疏水表面上的液滴 (θ > 90°) 和CuO纳米线的SEM图像

2.4 冬季防护

在冬奥会的户外项目中，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他们的表现。在过去的比赛中，我们发现运动员在雪地比赛中只穿着薄的运动服。薄衣服如何保护运动员免受寒冷天气的影响？关键技术之一是灵活石墨烯电加热复合纳米纤维

图6. (a) Skier 和示意图石墨烯. (二)石墨烯/棉纺织品和 SEM (1000×) 的石墨烯/棉复合纤维。(c) 换热器传热过程的简化示意图石墨烯系统：（1）热传导；(2)热辐射。

石墨烯表现出高热导率和通过晶格振动发射的红外辐射。与传统电线相比，石墨烯复合纳米纤维更柔韧且与纺织纤维相容（图6b）。最后，石墨烯基于电子加热的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，衣服搭配石墨烯复合纳米纤维主要通过热传导和热辐射使运动员保持温暖（图6c）。当有电流通过石墨烯复合纳米纤维，会产生焦耳热（过程1）。同时，碳原子内部的热运动石墨烯格子会产生红外线（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，例如玻璃纤维，可以进一步提高红外发射率。未来，该技术还将在汽车热管理系统、低温环境专用加热服装和服装、医疗卫生设备等领域产生更专业的产品。

2.5 奥运印刷品

奥运印刷品，如服务手册和观众指南，是运动员和其他人不可缺少的纸质材料。考虑到残疾人，尤其是盲人的无障碍，在本届冬奥会和冬残奥会上，采用基于纳米材料的绿色盲文印刷技术打印纸质材料，并与正常字符和盲文进行对比。

中科院宋教授团队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上通过金属板冲压实现的盲文出版方式。盲文是通过喷墨打印在疏水基材上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 微结构的示意图喷墨打印过程，以及显示微滴中纳米粒子组装形态的 SEM 图像。(b) 示意图盲文印刷过程。(c) 绿色印刷盲文技术生产的奥运印刷品。

《北京2022年冬奥会和冬残奥会观众指南》中英文版、《北京冬残奥会运动员和代表队服务手册》（图7d）等纸质材料均采用了绿色盲文印刷技术。中国自主研发的这项技术，方便残疾人获取信息，体现人文关怀，展示国家形象，留下独特的奥运和残奥遗产。

3小结

在本文中，重点介绍了纳米技术如何促进冬奥会和冬残奥会的代表性例子，其中包括滑冰、可穿戴监测设备、滑雪运动设备、冬季防护和奥运印刷中的纳米科学。展望未来，我们预计奥运会中使用的纳米技术将在体育以外的应用中发挥更广泛的作用。例如，冰面的纳米科学可以促进超级润滑表面的发展，减少磨损和能源消耗，并与冰川学有关。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、智能的可穿戴监测设备，这已成为数字医学的重要组成部分。

此外，柔性传感器和织物将实现高精度动作捕捉，在电影、动画、VR游戏设备、元宇宙等领域发挥作用。纳米技术赋能的超疏水表面有望应用于日常生活，如防水面料和纺织品。石墨烯基电子加热纺织品具有优越的保暖性能。预计这项技术将超越冬奥会，在寒冷环境下运行、保温设计等一系列方面带来其他应用。受益于这项技术，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。这部分包括纳米药物、药物输送系统、用于疾病诊断和药物释放的纳米传感器或机器人等。

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

(4)纳米催化与绿色技术。具有绿色特性和高效率的纳米催化剂将增加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，争取在奥运会上“更快、更高、更强”。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，纳米技术都做出了不可替代的贡献。正如北京2022年冬奥会的口号“一起向未来”，人类社会将随着纳米技术的发展共享更加美好的未来。

文献：

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