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2 月 20 日，2022 年北京冬奧會正式落幕。比賽期間，除見證各國奧運健兒的風(fēng)采之外，開閉幕式上的 24 節(jié)氣短片、《折柳寄情》等中國元素和現(xiàn)代科技的結(jié)合，引得一片叫好。

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圖 | 凝膠冰雪（來源：張凱）與此同時，來自北京理工大學(xué)宇航學(xué)院的張凱教授和團隊，以助力冬奧為初衷，研發(fā)出一款永不融化的凝膠冰雪。

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（來源：張凱）
據(jù)悉，凝膠冰雪 90% 以上的成分都是水，但卻和自然冰雪具有相同的視感和觸感。它最大的“神奇”之處在于，升高溫度，自然冰雪可以迅速融化失型變?yōu)樗?，而凝膠冰雪即使在高溫狀態(tài)下依然能夠保持固態(tài)的形態(tài)，永不融化。

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（來源：張凱）
張凱教授表示，當(dāng)初的想法來源非常簡單。大約四年前，他收到學(xué)校發(fā)來的郵件，鼓勵教師們積極發(fā)揮研究優(yōu)勢服務(wù) 2022 北京冬奧會、冬殘奧會。他表示：“在學(xué)?？萍紙髧鈽s傳統(tǒng)的感染下，我深刻意識到作為在北京的科研團隊，應(yīng)該為北京冬奧會做點什么，為推廣冰雪文化助力 ?！?br />

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（來源：張凱）另外，2008 年北京奧運會時，張凱教授還在讀研究生，他曾在現(xiàn)場看過 110 米欄的比賽，奧運氛圍給其留下了深刻印象。作為生活在全球目前唯一一個雙奧之城北京的科研工作者，他想用實際行動參與進去, 感受奧林匹克的文明。

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圖 | 張凱在參加電視節(jié)目（來源：張凱）"一代材料、一代裝備" 。在這樣的背景下，張凱教授將自己的研究方向——水凝膠和冰雪運動結(jié)合，開發(fā)出了這款凝膠冰雪。目前，該材料已申請相關(guān)專利 24 項，授權(quán) 9 項。

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（來源：張凱）凝膠冰雪的研發(fā)核心：調(diào)控微觀結(jié)構(gòu)，有效“鎖住”水分子

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親水的高聚物網(wǎng)絡(luò)，是凝膠冰雪不融化的奧秘所在。在設(shè)計和制備工藝上，這種親水的高聚物網(wǎng)絡(luò)是多種材料通過物理和化學(xué)手段交聯(lián)所得，且形成高分子網(wǎng)絡(luò)的材料多來源于天然生物材料。

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（來源：張凱）需求不同，形成高聚物網(wǎng)絡(luò)所選取的材料和交聯(lián)方式也不相同。在沒有高聚物網(wǎng)絡(luò)時，升溫后，冰晶會融化成水；而在加入高聚物網(wǎng)絡(luò)后，即便冰晶融化成水，融化后的水也會被鎖在網(wǎng)絡(luò)里面"插翅難逃" 。這意味著就算溫度升高，凝膠冰雪的形狀依然非常完整，永不融化。由于凝膠冰雪的應(yīng)用場景主要面向大眾型冰雪運動，因此在制作時，張凱教授團隊特意選擇了生物相容性高的材料，無毒無害、自然環(huán)保，用戶可以和它盡情親密。針對凝膠冰雪材料的各項性能，張凱教授團隊經(jīng)過多年研究已開發(fā)出多種工藝配方，并形成一個完整的"材料-性能"數(shù)據(jù)庫。舉例來說，建設(shè)平面冰壺場地和構(gòu)建立體雕塑所使用的凝膠冰雪材料，各自對于承重能力的要求肯定不一樣，因此對應(yīng)的力學(xué)性質(zhì)也會不同。根據(jù)不同的應(yīng)用場景，考慮凝膠冰雪在低溫-常溫-高溫三個階段的力學(xué)屬性，他們都可以根據(jù)現(xiàn)有材料-性能數(shù)據(jù)庫匹配最優(yōu)凝膠冰雪材料及其制備工藝，進而確定材料體系。張凱教授表示，該工作主要由他和左磊博士、以及幾名研究生利用業(yè)余時間完成的。他們主要通過參加科創(chuàng)比賽、基于團隊已有基礎(chǔ)、利用創(chuàng)新思維來培育該項目。此外，該校宇航學(xué)院和波動力學(xué)實驗室，都給張凱教授團隊提供了平臺支撐。研究中，張凱教授遇到的最大挑戰(zhàn)就是將水凝膠與冰雪運動的特殊需求結(jié)合。通常研究中的水凝膠樣品尺寸都比較小，但在實際使用中尺寸必須得更大。此外，為更加切合應(yīng)用，就得考慮成本和使用環(huán)境的具體要求。因此，如何制備大尺寸的材料、如何選擇成本低廉、生物兼容性好且無毒無害的原材料，是他遇到的挑戰(zhàn)和困難。其表示，凝膠冰雪解決的基礎(chǔ)科學(xué)問題在于不同溫度下凝膠材料力學(xué)性能的多重調(diào)控，即處于高溫狀態(tài)的凝膠冰雪，也不會融化、更不會變形；處于常溫下時，它優(yōu)異的力學(xué)性能保證自身不會被破壞；處于低溫時，則最接近天然冰的摩擦、硬度等力學(xué)屬性。

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