在2022年全國科技活動(dòng)周暨北京科技周活動(dòng)現(xiàn)場，一群孩子在一張“特殊”的桌上冰壺臺(tái)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?！币粋€(gè)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(yuǎn)不會(huì)融化。

讓“冰雪”不會(huì)融化的“黑科技”

送走了玩耍的孩子，北京理工大學(xué)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(chǔ)材料水凝膠一直是張凱教授團(tuán)隊(duì)的重要研究對(duì)象。這支團(tuán)隊(duì)長期聚焦水凝膠聲學(xué)理論、設(shè)計(jì)、表征和制備研究，并服務(wù)于深海水聲調(diào)控、超聲成像診斷等民用和軍工領(lǐng)域?！八z的應(yīng)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(lǐng)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(lǐng)域的新材料。另外在醫(yī)療領(lǐng)域，與傳統(tǒng)耦合劑相比，水凝膠不會(huì)流淌且聲學(xué)性能好，在成像精度上更有優(yōu)勢，適于作為傳導(dǎo)超聲信號(hào)的介質(zhì)。”在中國青年報(bào)社“溫暖一平方”直播間，張凱介紹說。

“北京冬奧會(huì)必將推動(dòng)大眾冰雪運(yùn)動(dòng)和冰雪產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?！睆垊P說，在科技服務(wù)國家情懷的指引下，他和團(tuán)隊(duì)產(chǎn)生了將水凝膠應(yīng)用于冰雪領(lǐng)域的靈感，力爭解決后奧運(yùn)會(huì)時(shí)代冰雪產(chǎn)業(yè)的發(fā)展痛點(diǎn)。

“真冰易融化，同時(shí)冰場建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)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(xué)性能比真冰還要好。一般的冰受壓就會(huì)碎裂，這就使得冰場在建設(shè)的時(shí)候，對(duì)制冷機(jī)組要求很高，而且在建設(shè)完成后基本不能斷電以防冰融化，運(yùn)營成本較高?！睆垊P介紹說，凝膠冰雪韌性強(qiáng)，在被壓時(shí)不會(huì)產(chǎn)生裂紋，大大降低了機(jī)組的成本，未來使用凝膠冰雪的冰場便可根據(jù)冰場的實(shí)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(yùn)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(tuán)隊(duì)在水中引入了由多種材料通過化學(xué)聚合反應(yīng)形成的高聚物網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)可以有效鎖住水分子，使得水分子不能輕易移動(dòng)，無法被外力擠出。當(dāng)溫度升高時(shí)，水分也無法“逃離”凝膠冰雪，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不融化的特性，這也是凝膠冰雪團(tuán)隊(duì)最重要的一項(xiàng)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(shè)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(yùn)輸過程中會(huì)融化成水，然后流淌、泄漏，而凝膠冰雪不會(huì)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(huì)再像現(xiàn)在這個(gè)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(dòng)，我覺得在未來，農(nóng)村的土地也會(huì)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(shí)現(xiàn)在不同季節(jié)對(duì)肥料鎖水能力的調(diào)控?！蹦z冰雪團(tuán)隊(duì)90后成員、北京理工大學(xué)宇航學(xué)院博士研究生漸南南說。

目前，該團(tuán)隊(duì)已在北京理工大學(xué)唐山研究院成立凝膠冰雪技術(shù)創(chuàng)新研究中心，進(jìn)一步推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

科研如“輕舟駛過萬重山”

一項(xiàng)新科研成果誕生的背后往往是無數(shù)個(gè)需要攻克的難題和枯燥寂寞的日夜。對(duì)于凝膠冰雪團(tuán)隊(duì)來說，同樣不例外。

要想實(shí)現(xiàn)一個(gè)好的創(chuàng)意，就要設(shè)計(jì)并構(gòu)建材料的微觀組分和結(jié)構(gòu)，完成實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的制備和驗(yàn)證，這也是團(tuán)隊(duì)遇到的第一個(gè)難題?！拔覀儓F(tuán)隊(duì)成員的專業(yè)主要包括材料、機(jī)械和力學(xué)，因此我們效率很高，當(dāng)想出一個(gè)新的創(chuàng)意，需要新材料時(shí)，材料學(xué)專業(yè)的隊(duì)員就會(huì)進(jìn)行制備，然后交給力學(xué)專業(yè)的隊(duì)員做分析、設(shè)計(jì)和測試，同時(shí)機(jī)械專業(yè)的隊(duì)員會(huì)負(fù)責(zé)制冷等技術(shù)環(huán)節(jié)。我們也擁有3D打印等技術(shù)，最后成功攻克了這個(gè)難題。”張凱說。

然而當(dāng)面向冰雪產(chǎn)業(yè)時(shí)，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(gè)很小的難點(diǎn)，就能阻礙你很長時(shí)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(huì)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(gè)可以應(yīng)用于冰雪運(yùn)動(dòng)的材料是經(jīng)過了很多道工序，進(jìn)行了上千次實(shí)驗(yàn)之后才得到的?！蹦z冰雪團(tuán)隊(duì)90后成員、北京理工大學(xué)宇航學(xué)院博士后左磊說。

張凱說，“凝冰冰雪”的科研過程不是一個(gè)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(gè)是大問題，哪個(gè)是小問題。在這一過程中，會(huì)有時(shí)被困難卡住無法繼續(xù)前行，但也會(huì)有解決問題后的意外之喜，會(huì)有時(shí)要面對(duì)他人的質(zhì)疑，但也在科學(xué)中尋找到了最真實(shí)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(duì)科研工作理解的一句詩，“在往前走的時(shí)候，我們這一葉小舟看似沒有力量，但是沒關(guān)系，不管有何種聲音，我們都會(huì)沿著自己的路走過千山萬水。”

中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 陳鼎 來源：中國青年報(bào)

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