冬奧會背后的神奇化學知識有哪些？

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動員們精彩表現的同時，讓我們也來一起領略本屆冬奧會背后的化學高科技。

　　神奇的二氧化碳跨臨界直接制冰

　　走進國家速滑館“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（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。

　　根據熱力學知識，這一過程經歷了液態(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分子混合，這個點就是水的臨界點。

　　以二氧化碳為例，它的臨界溫度為31.1攝氏度，而臨界壓力達到了7.38兆帕。在臨界點以上的區(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行降溫降壓達到-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)境的破壞較為嚴重，而二氧化碳跨臨界直冷制冰技術具有環(huán)保節(jié)能、來源廣泛、安全無毒等優(yōu)點，而且，用二氧化碳直冷系統(tǒng)制出的冰面質量更好，能精準控制冰溫和軟硬度。滿足不同項目對冰面的要求，被譽為是“最快的冰”。

　　冬奧會服裝中的“黑科技”

　　頒獎禮儀服，是奧運會場一道靚麗的風景線。和夏季奧運會不同，冬奧場館溫度最低至可達零下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”、“鴻運山水”和“唐花飛雪”，不僅外觀典雅大方，而且衣服內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，石墨烯導熱系數非常高，在通電情況下，碳分子團之間相互摩擦、碰撞而產生熱能，熱能又通過遠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，產生一種由內而外的溫暖。

　　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數十倍的橡膠材料，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層，使外來的沖擊力分散到周圍，不會集中于身體的某一點。

　　用STF材料制成的滑雪服防護性氣高，更重要的是對于運動員來說，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

　　作為歷屆奧運會中備受關注的元素之一，此次冬奧火炬“飛揚”一經亮相就吸睛無數。

　　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？奧秘就在于其所使用的新型材料中。

　　此次冬奧火炬“飛揚”將碳纖維與高性能樹脂結合在一起做成碳纖維復合材料，質量只有鋼的1/4左右，但是強度是鋼的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。

　　為實現耐高溫，火炬上半段燃燒端在1000℃以上高溫中進行陶瓷化，有效解決了在高溫制備過程中火炬外殼起泡、開裂等難題，達到了既能夠耐溫又能夠耐火的要求，實現了燃燒溫度＞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”的火焰顏色如此奪目？

　　這是因為攻關團隊研發(fā)了一種可以調節(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。

　　實現碳中和，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碳達峰、2060碳中和”目標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，化學高科技所起到的作用功不可沒。