冬奧會背后的神奇化學(xué)知識有哪些？

來源：新高考 2022-02-10 10:07:29

　　2月4日，萬眾矚目的第二十四屆冬奧會在北京隆重開幕。

　　來自世界各地的運(yùn)動健兒，將匯聚于五環(huán)之下，在冰天雪地間揮灑汗水，創(chuàng)造奇跡。

　　在欣賞冬奧會開幕盛典和運(yùn)動員們精彩表現(xiàn)的同時，讓我們也來一起領(lǐng)略本屆冬奧會背后的化學(xué)高科技。

　　神奇的二氧化碳跨臨界直接制冰

　　走進(jìn)國家速滑館“冰絲帶”，映入眼簾的是一整塊1.2萬平方米的冰面，這是目前世界上采用二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)打造的最大的多功能全冰面。

　　“二氧化碳跨臨界直接制冰”？——聽上去就感覺很高大上！那么，它到底是啥意思呢？

　　首先，我們要理解什么是臨界點(diǎn)（Critical point）。

　　以我們生活中常見的水為例，水在加熱的時候會變成水蒸汽。

　　根據(jù)熱力學(xué)知識，這一過程經(jīng)歷了液態(tài)水--液態(tài)水氣態(tài)水蒸氣的混合物--氣態(tài)水蒸氣的變化，但是當(dāng)水在溫度373℃，壓力22.064MPa加熱的時候，液態(tài)水和氣態(tài)水蒸氣的物理性質(zhì)沒有明顯的變化，只有一個相存在，水變得可壓縮、可膨脹，并且更喜歡與非極性氣體和有機(jī)分子混合，這個點(diǎn)就是水的臨界點(diǎn)。

　　以二氧化碳為例，它的臨界溫度為31.1攝氏度，而臨界壓力達(dá)到了7.38兆帕。在臨界點(diǎn)以上的區(qū)稱為超臨界，以下的區(qū)是亞臨界，而從亞臨界到超臨界就是跨臨界。

　　常溫常壓下的二氧化碳是氣態(tài)，施加一定壓力后，可以液化成液體甚至凝華為固體（也就是我們說的干冰），壓力降低后，液態(tài)或固態(tài)的二氧化碳又能快速汽化（或升華）為氣體，并大量吸熱，從而達(dá)到降低環(huán)境溫度的目的。

　　二氧化碳跨臨界直冷制冰，就是將氣態(tài)二氧化碳通過加溫加壓形成超臨界二氧化碳流體，再對超臨界二氧化碳進(jìn)行降溫降壓達(dá)到-20°c至-15°c，再相變蒸發(fā)吸熱完成制冷和制冰的過程。

　　以往使用的氟利昂等制冷劑，對于環(huán)境的破壞較為嚴(yán)重，而二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)具有環(huán)保節(jié)能、來源廣泛、安全無毒等優(yōu)點(diǎn)，而且，用二氧化碳直冷系統(tǒng)制出的冰面質(zhì)量更好，能精準(zhǔn)控制冰溫和軟硬度。滿足不同項(xiàng)目對冰面的要求，被譽(yù)為是“最快的冰”。

　　冬奧會服裝中的“黑科技”

　　頒獎禮儀服，是奧運(yùn)會場一道靚麗的風(fēng)景線。和夏季奧運(yùn)會不同，冬奧場館溫度最低至可達(dá)零下30多度，在如此冷的環(huán)境中，如何讓頒獎禮儀服裝既美觀舒適，又能保暖呢？

　　本次冬奧會和冬殘奧會頒獎禮儀服裝共三套方案，分別為“瑞雪祥云”、“鴻運(yùn)山水”和“唐花飛雪”，不僅外觀典雅大方，而且衣服內(nèi)膽里特意添加了一片片黑色的材料——這就是針對本屆冬奧會研發(fā)的第二代石墨烯發(fā)熱材料，石墨烯導(dǎo)熱系數(shù)非常高，在通電情況下，碳分子團(tuán)之間相互摩擦、碰撞而產(chǎn)生熱能，熱能又通過遠(yuǎn)紅外線以平面方式均勻地輻射出來，可以能很好地被人體接受，產(chǎn)生一種由內(nèi)而外的溫暖。

　　此外，比賽服裝中的科技含量更高：例如速滑競賽服中，會在大腿的部位選擇一種比普通纖維彈性強(qiáng)數(shù)十倍的橡膠材料，可以最大程度減少體力消耗；在右胯部的位置，則是會采用一種合成纖維，可有效減少摩擦力；而為了較少空氣阻力，速滑競賽服的手腳處使用了蜂窩樣式的聚氨酯材料，這些材料的選擇都是為了最大限度提高運(yùn)動員成績。

　　滑雪服則采用了剪切增稠流體（STF）材料，這是一種智能分子材料，常態(tài)下處于一種粘稠的半液體狀態(tài)，一旦遇到高速的撞擊，這些智能分子立刻相互連接形成防護(hù)層，使外來的沖擊力分散到周圍，不會集中于身體的某一點(diǎn)。

　　用STF材料制成的滑雪服防護(hù)性氣高，更重要的是對于運(yùn)動員來說，它解決了空氣阻力和衣服柔韌性的問題。

　　這些冬奧服裝中的“黑科技”，為運(yùn)動員取得好成績，提供了重要保障。

　　冬奧火炬中的奧秘

　　作為歷屆奧運(yùn)會中備受關(guān)注的元素之一，此次冬奧火炬“飛揚(yáng)”一經(jīng)亮相就吸睛無數(shù)。

　　火炬外殼不僅要耐火抗高溫還要能在極寒天氣中使用。如何承受這“冰與火”的雙重考驗(yàn)？奧秘就在于其所使用的新型材料中。

　　此次冬奧火炬“飛揚(yáng)”將碳纖維與高性能樹脂結(jié)合在一起做成碳纖維復(fù)合材料，質(zhì)量只有鋼的1/4左右，但是強(qiáng)度是鋼的7~9倍。通過將碳纖維絲立體三維編織，最終像“織毛衣”一樣織成了火炬外殼，看不出任何接縫與孔隙，整個造型渾然一體。

　　為實(shí)現(xiàn)耐高溫，火炬上半段燃燒端在1000℃以上高溫中進(jìn)行陶瓷化，有效解決了在高溫制備過程中火炬外殼起泡、開裂等難題，達(dá)到了既能夠耐溫又能夠耐火的要求，實(shí)現(xiàn)了燃燒溫度＞800℃氫氣燃燒環(huán)境下正常使用。

　　而且碳纖維制造的火炬既分量輕又很牢固，摔不壞。同時，冬季火炬?zhèn)鬟f時，傳統(tǒng)金屬材料手感不好，碳纖維可以有效解決這個問題，避免了冰涼的觸感。

　　另外，大家可能也注意到了，氫氣的火焰原本在日光下是看不見的，那么為什么“飛揚(yáng)”的火焰顏色如此奪目？

　　這是因?yàn)楣リP(guān)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種可以調(diào)節(jié)氫氣火焰顏色的配方，讓它在日光下具有可見的火焰顏色。

　　實(shí)現(xiàn)碳中和，盡顯高科技

　　本屆冬奧會最大的特色之一就是“綠色環(huán)保”。

　　作為我國提出“2030碳達(dá)峰、2060碳中和”目標(biāo)后的首個世界級體育盛會，北京2022年冬奧會承諾碳排放將全部中和。這其中，從清潔能源到環(huán)保材料，化學(xué)高科技所起到的作用功不可沒。