納米材料在運(yùn)動(dòng)護(hù)具產(chǎn)品中的應(yīng)用

張 嬌

（陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院，咸陽(yáng) 712000）

納米是一個(gè)計(jì)量長(zhǎng)度的單位，1nm 單位等于10-9m。日常生活中所提及的納米材料就是有許多的納米粒子組成的，而納米粒子是一種超微顆粒，其固體微粒的直徑在100nm 以下，且微粒具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)及許多其它的特殊特性。與日常生活中常見的材料相比，納米材料具有相當(dāng)不同的電、熱、磁、光等物理性質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)納米材料具有許多優(yōu)良和奇特的性能，因此其在電子、材料、光電等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代體育的發(fā)展也取得了巨大的進(jìn)步，現(xiàn)代先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)及其先進(jìn)成果已經(jīng)在體育領(lǐng)域的各個(gè)方面得到了十分廣泛的應(yīng)用，也是的現(xiàn)代體育運(yùn)動(dòng)發(fā)展得越來越快。在現(xiàn)代體育領(lǐng)域中，納米材料被更多的應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)裝備和運(yùn)動(dòng)器材中，這也使得運(yùn)動(dòng)設(shè)備及器材的性能得到了極大的提高。近些年來，體育運(yùn)動(dòng)材料中，納米技術(shù)呈現(xiàn)極好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，對(duì)競(jìng)技體育的發(fā)展發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 納米材料的介紹

1.1 納米材料的概念

納米是一個(gè)長(zhǎng)度計(jì)量單位，1nm 相當(dāng)于1/11m。納米材料指的是尺寸范圍在納米量級(jí)（100nm 一下）內(nèi)的材料。當(dāng)材料被分割成這么小的微粒時(shí)，就會(huì)擁有許多奇特的性能，成為一種新型材料。納米材料學(xué)是結(jié)合了膠體化學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、配位化學(xué)、界面學(xué)、表面學(xué)等多種學(xué)科的交叉科學(xué)[1]，它是現(xiàn)代材料學(xué)科學(xué)中十分重要的部分，常被稱作21世紀(jì)材料。

圖1 常見的納米材料Fig.1 Common nanomaterials

1.2 納米材料分類

按照基晶體結(jié)構(gòu)形態(tài)可以將納米材料分為四種，即零維納米材料、一維納米材料、二維納米材料以及三維納米材料。零維納米材料制的是其材料結(jié)構(gòu)單元在其三維方向上的尺寸都在1~100nm范圍內(nèi)，其主要指的是納米粉碎材料；而一維納米材料指的是材料的結(jié)構(gòu)單元在二維方向上已經(jīng)達(dá)到了納米特征，其主要指的是納米線材料一類，常見的有碳納米管；三維納米材料則是其自身結(jié)構(gòu)單元在一維方向上已經(jīng)達(dá)到了納米特征，其主要制的是層狀材料或者納米薄膜一類；最后一種三維納米材料則是由納米微晶凝聚而成的固體材料，其材料結(jié)構(gòu)單元三維方向上都形成了大尺寸塊狀體材料。

1.3 納米材料的結(jié)構(gòu)特征

納米結(jié)構(gòu)的尺寸在分子和亞微米之間，在這極微小的尺寸下，許多常見的科學(xué)理論則不在適用，其中不可忽略的一點(diǎn)就是量子效應(yīng)[2]。由于結(jié)構(gòu)尺寸微小，材料的比表面積大大增加，使得材料本身出現(xiàn)了許多不同于宏觀尺度下的化學(xué)、物理及生物性能，存在差異比較顯著的就是界面效應(yīng)、表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)以及量子效應(yīng)等幾個(gè)方面。

1.4 納米材料的制備方法

納米材料有多種制備方法，根據(jù)制備原理即可分為化學(xué)方法和物理方法兩類。而根據(jù)所制成的產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)形態(tài)又可以分為低維納米材料制備法和納米復(fù)合材料制備法以及塊狀納米材料制備法，常見的低維納米材料制備法有物理粉碎法、真空冷凝法、物理氣相沉積法、微乳液法、溶膠凝膠法、水熱合成法以及化學(xué)氣相沉積法。最常用的納米復(fù)合材料制備法是插層復(fù)合法。塊狀納米材料制備法則有非晶晶化法。

1.5 納米材料的特性

1.5.1 表面與界面效應(yīng)

這種效應(yīng)的產(chǎn)生主要是因?yàn)闃?gòu)成材料的微粒直徑減小，導(dǎo)致表面原子數(shù)量增多。比如，當(dāng)材料微粒的直徑為五納米和十納米時(shí)，其比表面積分別為180m2/g和90m2/g，在這么高的比表面積情況下材料就會(huì)出現(xiàn)一些奇異的現(xiàn)象，例如無機(jī)納米粒子能夠吸附氣體，金屬納米粒子能夠在空氣中燃燒等。

1.5.2 小尺寸效應(yīng)

納米微粒的尺寸同光波的波長(zhǎng)，以及其超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度和透射長(zhǎng)度、傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)等等物理特征尺寸相差不大或者比之更小時(shí)，納米微粒的周期性邊界就會(huì)被破壞，導(dǎo)致納米材料的電、光、熱、磁、聲等性能出現(xiàn)奇特的現(xiàn)象[3]，比如二氧化硅顆粒在常見的宏觀尺寸下是絕緣的，但是當(dāng)其顆粒尺寸達(dá)到20nm 時(shí)就具有了導(dǎo)電性能；銅顆粒宏觀尺寸下是導(dǎo)電的，但是其顆粒尺寸達(dá)到納米尺寸是就不具備導(dǎo)電性能了；將納米材料與高分子材料結(jié)合制作而成的道具的硬度比金剛石制品還要大?；诩{米材料的這些奇特性能，加以利用可以使太陽(yáng)能更加高效的轉(zhuǎn)化為電能、熱能，另外納米材料的這些性能還可以應(yīng)用到紅外隱身技術(shù)及紅外敏感元件方面。

1.5.3 量子尺寸效應(yīng)

當(dāng)材料的微粒尺寸達(dá)到納米量級(jí)時(shí)，其費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)會(huì)從連續(xù)狀態(tài)分裂成分立能級(jí)。當(dāng)微粒的能級(jí)間距比磁能、熱能、靜磁能、靜電能、超導(dǎo)態(tài)或者光子能的凝聚能大時(shí)，材料就會(huì)出現(xiàn)量子效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致材料的聲、光、電、熱以及超導(dǎo)電性能發(fā)生巨大變化。比如某種金屬納米粒子具有非常強(qiáng)的吸收光線的能力，將千分之一該粒子放入1.1365kg水中，水就會(huì)變得完全不透明。

1.5.4 宏觀量子隧道效應(yīng)

隧道效應(yīng)指的是微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力。隧道效應(yīng)出現(xiàn)在納米粒子的磁化強(qiáng)度等方面，即納米粒子能夠穿過宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘進(jìn)而發(fā)生一些列變化，這也是納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。

2 納米材料在運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品中的主要用途

2.1 具有減阻作用的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品

在體育競(jìng)技中與速度競(jìng)技相關(guān)的項(xiàng)目，所使用的減阻運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品較多。例如游泳運(yùn)動(dòng)員的泳衣，一款Fastskin 泳衣，它是利用納米技術(shù)采用聚四氟乙烯材料研制而成，能夠有效減少水與人體之間的運(yùn)動(dòng)阻力，同時(shí)因?yàn)閺椥圆牧系氖褂檬沟眠\(yùn)動(dòng)員可以合理地分配關(guān)節(jié)和肌肉的負(fù)荷，也利于運(yùn)動(dòng)過程中運(yùn)動(dòng)動(dòng)力的產(chǎn)生。另外運(yùn)動(dòng)船艇中也可以使用納米材料，將強(qiáng)疏水的水光固化含氟蠟作為船艇減阻涂層的基質(zhì)材料，然后采用納米粒子進(jìn)行特殊工藝處理以及表面修飾，使其充分均勻的分散到基質(zhì)材料中，形成具有優(yōu)良減阻性能的減阻層[4]。

圖2 納米涂層設(shè)計(jì)Fig.2 Nano coating design

2.2 具有增加性能減輕重量作用的產(chǎn)品

為了減輕運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品的重量，納米技術(shù)被更多的用在了球拍的制作中，例如羽毛球拍、網(wǎng)球拍、乒乓球拍等，同時(shí)也使得產(chǎn)品的各項(xiàng)性能得以提升，如手感、使用壽命、彈性等等。納米材料也被應(yīng)用帶跑鞋、自行車等產(chǎn)品中，主要是為了增強(qiáng)其抗沖擊能力，同時(shí)減輕產(chǎn)品重量，例如在自行車的車架中使用碳納米管，可以使自行車自身車架重量減輕到1kg以內(nèi)，同時(shí)它具有良好的強(qiáng)度和剛度。

2.3 具有增加牢度和增強(qiáng)彈性的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品

在許多田徑項(xiàng)目比賽中，運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技成績(jī)會(huì)很大程度上受到跑道的影響，因此科研人員采用納米技術(shù)開發(fā)了一種納米跑道，納米跑道所用到的材料就是將一定比例的納米粉體加入到聚氨酯材料中，得到納米聚氨酯[5]。研究結(jié)果表明，納米跑道不僅具有傳統(tǒng)的聚氨酯塑膠跑道的特點(diǎn)，其阻燃、耐磨、防霉等性能也更加優(yōu)良。此外納米跑道還具有優(yōu)良的回彈值和壓縮復(fù)原性，能夠使運(yùn)動(dòng)員在比賽中擁有好的舒適感，利于優(yōu)異成績(jī)的取得。

圖3 納米聚氨酯跑道Fig.3 Nano polyurethane runway

2.4 具有疏水作用的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品

經(jīng)過納米技術(shù)處理過的織物面料不僅具有原有織物的分鐘性能特征，還具有超疏水、疏油的優(yōu)異性能。納米材料形成的疏水層能夠大大減小織物表面的表面張力，在織物表面的水不會(huì)被織物吸收，而是形成了水珠然后從織物表面滑落[6]。此外納米疏水層具有良好的透氣性，因此熱量和水蒸氣是可以非常容易的通過織物面料的。這種納米疏水材料多被應(yīng)用在滑雪服中，另外在皮劃艇、賽艇訓(xùn)練中穿著納米防水服，能使運(yùn)動(dòng)員在冬日訓(xùn)練中免受濕衣寒冷之苦。

2.5 具有保健防護(hù)作用的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品

納米技術(shù)可以有效提高藥物的生物利用率，同時(shí)對(duì)減小藥物副作用也具有重要意義，因此納米藥物在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中具有十分重要的地位。納米中藥具有很大的選擇吸附能力以及小的粒徑，因此具有更強(qiáng)的穿透能力，使得納米中藥更多的被穿透皮膚，更容易進(jìn)入血液循環(huán)中。

近些年來，納米科技取得了一定的發(fā)展成果，而將納米科技合理的運(yùn)用到體育運(yùn)動(dòng)中，提升運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)能力和充分發(fā)揮運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)水平已經(jīng)成為科研人員的重要研究?jī)?nèi)容。但是目前我們對(duì)納米材料的認(rèn)識(shí)還不夠充分，對(duì)納米材料的生物安全性能還不夠了解，不了解其對(duì)機(jī)體產(chǎn)生潛在危害，此外納米材料的不合理使用也會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的身心健康存在不良影響，同時(shí)違背了奧林匹克運(yùn)動(dòng)精神。比如納米藥物由于具有較小的粒徑因此更加容易穿透皮膚進(jìn)入人體血液循環(huán)，使藥物發(fā)揮更好的功效，但是也因?yàn)樗幬锪叫∑涠靖弊饔靡灿幸欢ǔ潭鹊脑龃螅呀?jīng)有相關(guān)研究表明常規(guī)藥物經(jīng)過納米顆粒裝載后，其細(xì)胞毒性、急性毒性以及腎毒性等明顯大。此外，將納米材料運(yùn)用到運(yùn)動(dòng)器材中，使得器材更加高科技化，但是這也會(huì)使遠(yuǎn)動(dòng)員在競(jìng)技體育中的主體地位削弱，使得運(yùn)動(dòng)員更加依賴服裝和器械，或許會(huì)帶來一些新不公平現(xiàn)象，甚至可能會(huì)有器材作弊現(xiàn)象的發(fā)生。這說明在享受納米技術(shù)帶來的巨大好處的同時(shí)也面臨著非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。所以我們必須更加公正、客觀、全面的審視納米技術(shù)和納米材料，使現(xiàn)代體育競(jìng)技更加健康穩(wěn)定的發(fā)展，合理運(yùn)動(dòng)現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)促進(jìn)體育運(yùn)動(dòng)又好又快發(fā)展。

3 納米材料在體育運(yùn)動(dòng)防護(hù)產(chǎn)品中的具體應(yīng)用

3.1 在體育服裝中的應(yīng)用

納米材料具有較高的比表面積，因此納米顆粒很容易吸附于紡織品表面，同時(shí)納米材料也不會(huì)對(duì)紡織品的手感和透氣性能產(chǎn)生任何影響。瑞士蘇黎世大學(xué)物理化學(xué)研究所于2010年研發(fā)了一種納米防水布料，它是由聚酯纖維制成的，織物表面涂有一層40nm直徑的針狀硅絲，這層納米硅絲可以有效防止雨水的滲透，此外納米硅絲之間還形成了一層空氣層，使得下層的聚氨酯纖維永遠(yuǎn)不會(huì)接觸到水[7]。這種新型納米布料即使在水中浸泡超過兩個(gè)月，也能保持干燥的狀態(tài)，也是目前為止研發(fā)出來最為防水的織物。另外，該防水布料還能夠有效減小在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力，因此被廣泛的應(yīng)用于新型泳衣的開發(fā)制造中。此外，美國(guó)研究機(jī)構(gòu)將一種特殊的納米粒子注入墨水中，然后將織物浸泡其中，得到一種新型納米織物。該織物可以儲(chǔ)存能源，并且保留紡織品的力學(xué)性能，所以這種織物能夠在具有移動(dòng)反應(yīng)功能的運(yùn)動(dòng)服裝中得到應(yīng)用。

在帆船、賽艇、皮劃艇的水上運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中，運(yùn)動(dòng)員常會(huì)出現(xiàn)病毒性心肌炎、感冒等病癥，所以對(duì)運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練防護(hù)工作需要更加重視?？蒲腥藛T利用納米技術(shù)開發(fā)出了新型的水上項(xiàng)目訓(xùn)練服，其具有透氣、防水、保暖、耐洗滌、耐光照、耐高溫、遠(yuǎn)紅外線保健等多種功能，此外好在這些水上項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員容易感染的運(yùn)動(dòng)服部位使用了防臭、抗菌、防霉的多功能纖維，這對(duì)運(yùn)動(dòng)員的日常訓(xùn)練防護(hù)起到了重要作用。例如我國(guó)開發(fā)的一款納米運(yùn)動(dòng)衣，與普通的運(yùn)動(dòng)衣相比，其質(zhì)感基本沒有什么差異，但是這款運(yùn)動(dòng)衣具有防水、耐洗滌、保暖的功能，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，使用這款運(yùn)動(dòng)衣后，水上運(yùn)動(dòng)員感冒的次數(shù)明顯減少，病毒性心肌炎的發(fā)生率也大大下降。

研究人員研發(fā)了一款具有納米效應(yīng)透氣層和納米效應(yīng)防水層的水氣單導(dǎo)式納米功能鞋，具有顯著的透氣、防水、抗菌功能。這款納米功能鞋所使用的材料是納米氧化鋅、氧化鈦復(fù)合材料，然后利用氟碳表面活性劑以及全氟烷基成模物質(zhì)，并在一定的條件下和基材原位復(fù)合，最后形成納米結(jié)構(gòu)薄膜。納米粒子的表面羥基和氟碳鍵之間有一定的相互作用，所以改性后的納米薄膜和納米粒子擁有很高的耐變性能和化學(xué)穩(wěn)定性，使得功能鞋的防水透氣層具有對(duì)水油的雙疏效應(yīng)，同時(shí)確保氣體可以隨意通過。這款功能鞋以納米微容體結(jié)構(gòu)的硅基氧化物作為載體，并在微容體中組裝入無機(jī)鋅、銀等離子或者一些其他的功能離子，在對(duì)其進(jìn)行半封孔，促使長(zhǎng)久廣譜抗菌緩解微囊的形成，抗菌微囊和納米分子篩以及高表面納米材料等復(fù)合，能夠促使才周圍空間產(chǎn)生原子氧，其極強(qiáng)的氧化性有助于細(xì)菌的滅殺。

3.2 納米材料在運(yùn)動(dòng)器材中的應(yīng)用

納米材料被率先應(yīng)用于網(wǎng)球拍、乒乓球拍、羽毛球拍等球拍中，可以有效減輕球拍的重量，同時(shí)使得其使用壽命、彈性和耐用性大大提升。例如Wilson nCode網(wǎng)球拍，該球拍是在碳纖維復(fù)合材料的孔洞中填充入納米級(jí)的二氧化硅，從而使得材料的結(jié)構(gòu)更加完善均勻，同時(shí)擁有更高的強(qiáng)度。日本研發(fā)了一款硬式網(wǎng)球拍，這款球拍的質(zhì)量只有空氣的3倍左右，其強(qiáng)度卻又自身重量的4000倍[8]?？蒲腥藛T還成功的在碳原子的間隙中滲入了納米材料弗拉綸，使球拍的耐用性能提高了10%，耐沖擊性強(qiáng)度也提高了至少30%，穩(wěn)定性和反彈性能也大大提高，增強(qiáng)了整個(gè)球拍的手感。

3.3 納米材料在運(yùn)動(dòng)護(hù)具中的應(yīng)用

在體育運(yùn)動(dòng)中，運(yùn)動(dòng)護(hù)具是必不可少的運(yùn)動(dòng)裝備，好的運(yùn)動(dòng)護(hù)具能夠有效保護(hù)運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)過程中不受傷害。日常運(yùn)動(dòng)中常見的運(yùn)動(dòng)護(hù)具如頭盔、呼吸、護(hù)腕以及一些運(yùn)動(dòng)保護(hù)服裝，這些都能起到一定的保護(hù)作用，將納米材料應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)護(hù)具的制造中，能夠一定程度的提升運(yùn)動(dòng)護(hù)具的保護(hù)功能，如提升耐磨性能，延長(zhǎng)使用壽命，增強(qiáng)透氣性能，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)員的穿著舒適感等等，一些納米紡織物的使用，還能起到抗菌、免洗的作用。隨著現(xiàn)代體育競(jìng)技的不斷發(fā)展，運(yùn)動(dòng)護(hù)具的需求量也日益增長(zhǎng)，納米材料的優(yōu)異性能使其在運(yùn)動(dòng)護(hù)具領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊。

4 結(jié)語(yǔ)

科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，推動(dòng)了現(xiàn)代體育運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，尤其是一些先進(jìn)的新型材料的開發(fā)利用。近些年來納米技術(shù)取得了巨大成果，納米材料的研究開發(fā)技術(shù)也愈加成熟，納米材料由于材料顆粒的小粒徑，使其擁有了許多普通材料所不具備的奇特性能，憑借這些奇特性能，納米材料在體育領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，其在運(yùn)動(dòng)護(hù)具上面的應(yīng)用，能夠顯著提升運(yùn)動(dòng)護(hù)具的各項(xiàng)性能，包括使用壽命、耐磨性能、透氣性能、抗菌性能、免洗性能等等。合理地將納米材料應(yīng)用到現(xiàn)代體育領(lǐng)域中，對(duì)現(xiàn)代體育運(yùn)動(dòng)的發(fā)展進(jìn)步具有巨大促進(jìn)作用。