納米技術(shù)在體育工程領(lǐng)域中的應(yīng)用

齊 佳

（西安醫(yī)學院，陜西西安710021）

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度（0.1～100 nm）范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。納米材料及其相應(yīng)的制取、組合技術(shù)已成為21世紀世界科技發(fā)展中的主流方向，也是世界各國最主要的研究熱點之一。納米科技對于人類生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生了重大的影響，對促進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造和升級意義重大，將有可能引發(fā)下一場工業(yè)革命，成為21世紀經(jīng)濟的新增長點。鑒于納米科技所孕育極為廣闊的應(yīng)用前景，美國、日本、英國等發(fā)達國家都對納米科技給予了高度重視。納米技術(shù)廣泛影響了環(huán)境、能源、信息、生命健康等諸多其他產(chǎn)業(yè)，并且具有極其廣闊的發(fā)展前景。未來，以下產(chǎn)業(yè)或領(lǐng)域有望通過納米技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)技術(shù)或市場突破[1]，見圖1。

圖1 通過納米技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)技術(shù)突破的領(lǐng)域[1]Fig.1 Fields that achieve technological breakthroughs through the application of nanotechnology

現(xiàn)代體育正朝著更快、更高、更強的方向發(fā)展，這要求運動設(shè)施發(fā)展速度趕上運動的發(fā)展。運動器材和運動設(shè)施的質(zhì)量直接影響某項體育賽事的普及程度和運動水平。因此，將納米材料應(yīng)用于體育運動將一定對體育產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生持久的影響。

1 納米技術(shù)的發(fā)展史及在運動器材中的優(yōu)勢

納米技術(shù)被定義為在0.1～100 nm范圍內(nèi)對物質(zhì)的理解和控制，其中獨特的現(xiàn)象可以實現(xiàn)新穎的應(yīng)用。盡管人類在整個人類歷史上都接觸過納米顆粒，但在工業(yè)革命期間急劇增加。納米顆粒的研究不是新的，“納米”的概念最早由1925年諾貝爾化學獎獲得者Richard Zsigmondy提出。他創(chuàng)造了“納米”一詞來明確描述粒徑，他是第一個使用顯微鏡測量諸如金膠體之類的粒徑的人。

現(xiàn)代納米技術(shù)是1965年諾貝爾物理學獎獲得者Richard Feynman首次提出的[2]。1959年在加州理工學院舉行的美國物理學會會議上，他發(fā)表了題為“底部有足夠的空間”的演講，其中他介紹了在原子水平上操縱物質(zhì)的概念。這個新穎的想法展示了新的思維方式，費曼的假設(shè)自此被證明是正確的。由于這些原因，他被認為是現(xiàn)代納米技術(shù)之父。

1990年7月，第一次國際納米技術(shù)會議在巴爾的摩舉行，這標志著納米技術(shù)的誕生。在加利福尼亞技術(shù)學院舉行的美國物理學會會議上，理查德·費曼等物理學家提出了許多基于納米科學和納米技術(shù)的思想和觀念。物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）描述了科學家可以操縱和控制單個原子和分子的過程。現(xiàn)代納米技術(shù)的時代始于1981年，距超精密加工的探索已經(jīng)過去了十多年，當時開發(fā)了一種可以看到單個原子和分子的掃描隧道顯微鏡。最終，納米技術(shù)具有改善科學的潛力，例如化學、生物學、物理學、材料科學和工程學[3]。

納米技術(shù)對體育運動的競爭程度也產(chǎn)生了顯著影響。在運動器材的市場中，納米技術(shù)具有許多優(yōu)勢（如圖 2所示），并具有巨大的潛力來改進運動器材，從而使運動員比以往任何時候都更加安全、舒適和敏捷。不同運動領(lǐng)域的納米材料為運動器材帶來了很多好處。通過在運動場館的建造中使用納米材料，從屋頂和地板到墻壁和玻璃，今天的運動場館發(fā)生了巨大變化。

圖2 納米技術(shù)在體育領(lǐng)域中的優(yōu)勢Fig.2 Advantages of nanotechnology in sports

2 體育中使用的納米材料的類型

近年來，各種形式的納米材料已經(jīng)滲透到體育工程領(lǐng)域，極大地促進了體育科學和人文發(fā)展。納米材料科學是一個生機勃勃、發(fā)展最快的領(lǐng)域。納米技術(shù)在運動中的應(yīng)用包括主要使用的納米材料，例如碳納米、二氧化硅納米顆粒、富勒烯、碳納米顆粒，它們在運動器材中具有多種性能。

2.1 碳納米

碳納米技術(shù)開始于20世紀90年代，它的呈現(xiàn)使國家經(jīng)濟有了很大的改善和提高。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)屬于層次類型，在催化和器件領(lǐng)域可以表現(xiàn)出特殊的化學性質(zhì)。與此同時，新型納米材料出現(xiàn)于石墨烯和納米管之后，現(xiàn)在新型碳納米材料成為許多研究領(lǐng)域的一個熱點[4]。

（1）碳納米管。碳納米管是由碳原子形成的石墨烯片層卷成的無縫、中空的管體，一般可分為單壁碳納米管、多壁碳納米管和雙壁碳納米管。

（2）碳纖維。分為丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維兩種。碳纖維質(zhì)輕于鋁而強力高于鋼，它的比重是鐵的1/4，強力是鐵的10倍，除了有高超的強力外，其化學性能非常穩(wěn)定、耐腐蝕性高，同時耐高溫和低溫、耐輻射、消臭。

（3）碳球。根據(jù)尺寸大小將碳球分為：a）富勒烯族系Cn和洋蔥碳(具有封閉的石墨層結(jié)構(gòu)，直徑在2～20 nm之間)，如C60、C70等；b）未完全石墨化的納米碳球，直徑在50nm～1μm之間；c）碳微珠，直徑在11μm以上。另外，根據(jù)碳球的結(jié)構(gòu)形貌可分為空心碳球、實心硬碳球、多孔碳球、核殼結(jié)構(gòu)碳球和膠狀碳球等。

2.2 二氧化硅納米顆粒

二氧化硅是一種用于生產(chǎn)玻璃的材料，其特征是導熱不良。二氧化硅涂層構(gòu)成氣凝膠的骨架，氣凝膠主要是空氣和二氧化硅組成，由于空氣和二氧化硅的導熱系數(shù)都非常低，因此它們是出色的絕緣體。這些特性使納米氣凝膠成為目前最好的隔熱材料之一。

2.3 富勒烯

富勒烯是一種類似空心球的同素異形碳改性物。球形富勒烯看起來像一個足球。1990年以后，當Kratschmer和Huffman發(fā)現(xiàn)了用電弧法制備的方法之后，開始大量生產(chǎn)具有C60分子的富勒烯和其他富勒烯的宏觀量[5]。

2.4 碳納米粒子

碳納米顆粒已被廣泛應(yīng)用于運動，例如公路賽車。聚合物材料（如碳納米粒子）的電導率可通過摻入導電填料而大大提高。

賴斯大學的最新發(fā)現(xiàn)是持續(xù)了十多年的研究結(jié)果，盡管如此，它還是引起了很大的震驚。賴斯大學的科學家，美國空軍和以色列理工學院發(fā)現(xiàn)，他們生產(chǎn)了一種新型的碳微管（CNTs），即看起來與紡織纖維相似的微纖維，或者帶有熱和電的金屬絲[6]。

3 納米技術(shù)在體育領(lǐng)域中的應(yīng)用

體育活動需要特定的設(shè)備和器械以及設(shè)備的材料質(zhì)地和設(shè)計，這在體育發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。納米技術(shù)在體育領(lǐng)域中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩大方面∶一是在體育基本設(shè)施上的應(yīng)用，如運動場館、運動器材、運動服裝和運動生物學等項目的建設(shè)。二是在體育器材上的應(yīng)用，如增強高爾夫、網(wǎng)球、游泳、賽車和自行車運動中。納米技術(shù)具有巨大的潛力，可以改善體育領(lǐng)域的各個方面。

3.1 納米材料在體育基本設(shè)施上的應(yīng)用

（1）納米材料在運動場館建設(shè)中的應(yīng)用

運動場館是人們進行運動訓練、體育活動和體育鍛煉的專業(yè)場所，是運動的物質(zhì)基礎(chǔ)。從體育場的墻壁、地板和玻璃到吸音板等，納米材料已參與到體育館的建設(shè)中，可防止液態(tài)水滲透，這使石材更易于加工清潔。該膜還可以保持石材的質(zhì)地和呼吸作用，避免長時間積聚水分，防止形成銹蝕和缺陷，并延長其使用壽命。專門用于玻璃幕墻的TiO2納米保護液也被應(yīng)用到玻璃天花板上，涂布后的玻璃表面具有超親水性。該特性可以使水完全均勻地散布在玻璃表面上，并使玻璃和污染物充分濕潤，并通過水的重力帶走污染物，并且不附著灰塵，從而實現(xiàn)自吸，清潔效果并保持玻璃的長期整潔度。在涂料中添加納米二氧化鈦，不僅可以屏蔽紫外線，還可以最大限度地減少甲醛、氨、苯等揮發(fā)性物質(zhì)，因此具有凈化室內(nèi)空氣的作用。

（2）納米材料在田徑運動中的應(yīng)用

納米材料的塑料水泥跑道比普通運動場館使用的聚氨酯要好，因為它具有更好的抗摩擦性能，可以證明并符合國際環(huán)保標準。納米材料軌道是在傳統(tǒng)軌道上添加一定比例的納米材料并采用一定的手段，生產(chǎn)納米材料聚氨酯，可以改變其物理性質(zhì)。通過實驗比較，納米材料不僅具有適當?shù)膹椥浴⒛湍バ浴⒛屠匣院陀捕龋疫€具有較好的力學性能，其質(zhì)量是普通聚氨酯的兩倍。當在納米材料賽道上比賽時，運動員會感到更加舒適。

（3）納米材料在運動草坪上的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代體育的發(fā)展，將會有人造草坪取代天然草坪的趨勢。在激烈的競爭中，人造草坪的強度和柔韌性越來越不足，這是草坪纖維的關(guān)鍵部分。我們可以采用硅烷A和超分散流體B來處理其表面。通過熔化的方法，得到低密度的材料，由納米級CaCO3材料制成的運動草坪。研究表明，納米材料CaCO3在硅烷A和超分散液B的作用下將發(fā)揮最佳功能。纖維的晶體會隨著CaCO3的增加而增加，從30.5%增加到32.5%。納米材料CaCO3在纖維的分解，斷裂等方面，對纖維具有更好的效果，并且比家用產(chǎn)品具有更好的功能。在運動草坪上有很好的應(yīng)用。

（4）納米材料在運動場空氣凈化中的應(yīng)用

運動場館有了很大的進步，人們對空氣凈化的功能越來越關(guān)注。傳統(tǒng)上我們采用陰離子對空氣進行凈化，實際上它只是新鮮空氣，幾乎不能去除任何污染物。然而，一種新型的空氣凈化裝置可以克服這些缺點，從而達到更好的效果。它具有超強的氧化還原能力，可以殺死細菌、病毒、制劑等，以達到新鮮的目的。將納米材料TiO2放入混凝土中，利用其光催化作用制成光化學混凝土。在光的照射下，TiO2可以去除空氣中的NO2。

3.2 納米材料在體育器材上的應(yīng)用

（1）網(wǎng)球中的納米技術(shù)

網(wǎng)球拍和羽毛球拍都采用了先進的納米材料技術(shù)。在減輕球拍重量的前提下，增強球拍的彈性和手感。威爾遜的網(wǎng)球拍將納米材料SiO2放入碳纖維材料中，以保護其結(jié)構(gòu)，獲得更高的強度和耐用性。日本SRI體育公司生產(chǎn)了結(jié)實的網(wǎng)球拍，它的重量僅為空氣的三倍，但強度卻是空氣的4000倍。YONEX還成功地將納米材料放入了碳原子中[7]。提高30%的強度，10%的耐久性和兩倍的穩(wěn)定性。

（2）自行車中的納米技術(shù)

2008年的法國巡回賽，瑞士的Phonak團隊的運動員使用帶有鋼管的自行車進行比賽，其重量不超過一公斤，強度很高。納米材料中鋼的摻雜只有1.3%，可將自行車的功能提高15%至25%，而其重量減輕15%[8]。

（3）運動艇中的納米技術(shù)

運動艇減摩涂層是中國科學院專家的一項獨立研究成果，它比目前普遍使用的拋光蠟的船只具有更多的優(yōu)勢。減摩劑在以氟蠟為基體材料的固化過程中具有較強的抗磨性，通過表面改性和特殊處理，具有納米顆粒的包埋和微拋光作用，使其分散在蠟基中[9]。減摩劑可通過手工或機械擦涂技術(shù)涂覆在船底，從而形成超薄功能的超薄改性，且無增重、無污染，具有拋光、防污、稀水和防水粘合性，因此，對運動艇表面進行了許多改性。減摩涂層可用于淡水環(huán)境，可顯著降低船的水力阻力。船上的流體阻力對比測試去掉了減阻器后，在3.5～6.5 m/s的船速極限（匹配速度范圍）內(nèi)，它可使世界頂級運動船對水的摩擦阻力降低1%～1.5%。

（4）游泳中的納米技術(shù)

納米創(chuàng)新是“LZR Racer泳衣”，由于其革命性的空氣動力學特性，如今，大多數(shù)專業(yè)泳者都在使用它。例如，美國游泳選手邁克爾·菲爾普斯（Michael Phelps）能夠打破七項世界紀錄的同時獲得八枚金牌，還有25人在這次奧運會上打破了世界紀錄。盡管他們的驚人運動能力毋庸置疑，但高科技泳衣在這些世界紀錄比賽中的作用也無可置疑[10]。

（5）高爾夫中的納米技術(shù)

通過增強設(shè)備，納米技術(shù)改變了高爾夫的玩法。一種新設(shè)計的高爾夫球桿，桿的長而狹窄的部分覆蓋有納米材料，使我們能夠通過確保高爾夫球頭的速度來減輕重量并提高強度。威爾遜公司不僅在高爾夫球桿中使用納米材料，而且還通過將納米材料與石墨纖維混合，在運動中使用納米技術(shù)占主導地位。使用電化學電池進行電沉積，帶負電的金屬溶解，金屬原子重新沉積在帶正電的球桿頭上。球桿桿頭表面的納米顆粒金屬致密層導致球桿桿面更輕更堅固（圖3）。納米填充了桿中的小間隙，從而使間隙更牢固、更一致。

圖3 球桿桿頭表面上的納米晶粒金屬致密層[11]Fig. 3 Nano-grained metal dense layer on the surface of the club head

（6）撐竿跳高中的納米技術(shù)

北京奧運會期間，女子撐竿跳高金牌獲得者伊辛巴耶娃（Isinbayeva）使用的碳纖維桿頭和尾部采用了大量納米材料，桿體重量輕，可以彎曲到90°儲存大量能量，并快速反彈。隨著現(xiàn)代桿生產(chǎn)技術(shù)的成熟和完善，根據(jù)桿的應(yīng)力差和上下彎曲弧度，設(shè)計出強度最合理的不同零件，并生產(chǎn)出“個性化”桿。納米材料的應(yīng)用將撐竿跳高的性能得到顯著提高。

（7）沖浪中的納米技術(shù)

檀香山的Oceanit Laboratories Inc.公司是2006年第一家生產(chǎn)嵌入納米材料的沖浪板的公司。它做出了世界上第一個“納米”沖浪板，將納米材料加入環(huán)氧樹脂涂料中后使沖浪板比普通的環(huán)氧樹脂更堅固。

來自Sea City的沖浪者Andy Jordan提出了一種防水解決方案，使用納米產(chǎn)品使沖浪板變薄。它被定義為一種平板增強器，可以滿足沖浪板底部的所有不規(guī)則之處[12]。這些產(chǎn)品由數(shù)百萬個分子結(jié)合的銀、玻璃、陶瓷和鉆石顆粒組成。應(yīng)用于沖浪板的表面約為30nm。

（8）競技運動中的納米技術(shù)

納米銀等材料在田徑運動中的應(yīng)用是無毒、無味、無變質(zhì)、無分解且不會刺激人體皮膚的。中國已經(jīng)在運動鞋的開發(fā)中添加了納米銀，以使其具有抗菌性。納米纖維在摩擦制動中起著至關(guān)重要的作用，特別是對于球手來說，起步和制動都很重要。此外，人們正在不斷提高納米纖維的彈性并減輕其重量。這樣，可以大大提高鞋子的彈性勢能和可變速率[13]。

3.3 納米材料在運動營養(yǎng)補充品中的應(yīng)用

納米技術(shù)可以用于營養(yǎng)補充劑的研究，可以將營養(yǎng)成分加工成納米粉或懸浮液，以提高人體的吸收率，更好地發(fā)揮營養(yǎng)補充劑的生物活性，提高運動能力，促進人體健康。釋放運動中的疲勞感，并確保運動員的健康。微量元素硒在生物活動中起著重要而不可或缺的作用。納米硒是繼有機硒之后的更新硒補充劑，具有生物活性高、安全指數(shù)高、技術(shù)含量高、純度高、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。生物學實驗表明，納米硒具有神奇的生物活性，其急性毒性是無機硒的1/7，有機硒的1/3。另一方面，與無機硒相比，納米硒粒子清除自由基的活性提高了5倍，超氧陰離子和過氧化氫的清除能力大大提高，其對免疫調(diào)節(jié)和抑制腫瘤的敏感性也大大增加[14]。

4 納米材料的市場需求與展望

2016年，全球運動器材市場約為649億美元，預計將以12.2%的速度增長。運動球類裝備的市場份額占總市場價值的23.7%，代表最大的市場份額。在各種納米材料中，碳納米管是用于納米增強運動設(shè)備（例如高爾夫球桿、球拍、滑雪板、滑雪板等）最杰出的納米材料。2016年，碳納米管的全球市場（各種等級）約為1.92億美元，并且預計的復合年增長率為22.4%，到2020年將達到5.27億美元[15]。運動器材是碳納米管市場的主要領(lǐng)域之一，約占碳納米管年消費總量的14%，在不久的將來很可能會更多。納米材料可以使某些運動器材好很多。在市場上變得更暢銷，甚至在性能/耐用性方面提高了10%～20%。

盡管納米材料具有各種優(yōu)勢，但由于該技術(shù)價格昂貴且處理復雜，因此市場上沒有大量的納米技術(shù)增強型運動器材。因此，在體育領(lǐng)域繼續(xù)對納米技術(shù)進行技術(shù)開發(fā)與工程應(yīng)用優(yōu)化是社會需求，將能帶來很大的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)語

納米技術(shù)是一項影響我們?nèi)粘Ｉ罡鱾€領(lǐng)域的新技術(shù)，目前大多數(shù)納米技術(shù)產(chǎn)品隨處可見。作為奧運會的環(huán)保角色模范項目，首都體育館已將納米材料投入建設(shè)。納米材料科學技術(shù)將作為一個新興的科學領(lǐng)域，對體育產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響，但仍需要找到與納米材料和技術(shù)以及競技體育相匹配的突破點。許多杰出的運動員選擇納米制造的運動器材來提高其性能。但是由于這是一套技術(shù)，因此不是每個運動員都能買得起納米增強的運動器材。因此，需要將該納米技術(shù)以普遍化產(chǎn)品在體育領(lǐng)域推廣開來，增大技術(shù)的普及程度和運動水平，讓每位運動員享受公平的運動體驗，讓每位運動愛好者享受高技術(shù)的洗禮。