纳米技术在体育工程领域中的应用

齐 佳

（西安医学院，陕西西安710021）

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度（0.1～100 nm）范围或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料及其相应的制取、组合技术已成为21世纪世界科技发展中的主流方向，也是世界各国最主要的研究热点之一。纳米科技对于人类生产和生活方式产生了重大的影响，对促进传统产业的改造和升级意义重大，将有可能引发下一场工业革命，成为21世纪经济的新增长点。鉴于纳米科技所孕育极为广阔的应用前景，美国、日本、英国等发达国家都对纳米科技给予了高度重视。纳米技术广泛影响了环境、能源、信息、生命健康等诸多其他产业，并且具有极其广阔的发展前景。未来，以下产业或领域有望通过纳米技术的应用实现技术或市场突破[1]，见图1。

图1 通过纳米技术的应用实现技术突破的领域[1]Fig.1 Fields that achieve technological breakthroughs through the application of nanotechnology

现代体育正朝着更快、更高、更强的方向发展，这要求运动设施发展速度赶上运动的发展。运动器材和运动设施的质量直接影响某项体育赛事的普及程度和运动水平。因此，将纳米材料应用于体育运动将一定对体育产业产生持久的影响。

1 纳米技术的发展史及在运动器材中的优势

纳米技术被定义为在0.1～100 nm范围内对物质的理解和控制，其中独特的现象可以实现新颖的应用。尽管人类在整个人类历史上都接触过纳米颗粒，但在工业革命期间急剧增加。纳米颗粒的研究不是新的，“纳米”的概念最早由1925年诺贝尔化学奖获得者Richard Zsigmondy提出。他创造了“纳米”一词来明确描述粒径，他是第一个使用显微镜测量诸如金胶体之类的粒径的人。

现代纳米技术是1965年诺贝尔物理学奖获得者Richard Feynman首次提出的[2]。1959年在加州理工学院举行的美国物理学会会议上，他发表了题为“底部有足够的空间”的演讲，其中他介绍了在原子水平上操纵物质的概念。这个新颖的想法展示了新的思维方式，费曼的假设自此被证明是正确的。由于这些原因，他被认为是现代纳米技术之父。

1990年7月，第一次国际纳米技术会议在巴尔的摩举行，这标志着纳米技术的诞生。在加利福尼亚技术学院举行的美国物理学会会议上，理查德·费曼等物理学家提出了许多基于纳米科学和纳米技术的思想和观念。物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）描述了科学家可以操纵和控制单个原子和分子的过程。现代纳米技术的时代始于1981年，距超精密加工的探索已经过去了十多年，当时开发了一种可以看到单个原子和分子的扫描隧道显微镜。最终，纳米技术具有改善科学的潜力，例如化学、生物学、物理学、材料科学和工程学[3]。

纳米技术对体育运动的竞争程度也产生了显着影响。在运动器材的市场中，纳米技术具有许多优势（如图 2所示），并具有巨大的潜力来改进运动器材，从而使运动员比以往任何时候都更加安全、舒适和敏捷。不同运动领域的纳米材料为运动器材带来了很多好处。通过在运动场馆的建造中使用纳米材料，从屋顶和地板到墙壁和玻璃，今天的运动场馆发生了巨大变化。

图2 纳米技术在体育领域中的优势Fig.2 Advantages of nanotechnology in sports

2 体育中使用的纳米材料的类型

近年来，各种形式的纳米材料已经渗透到体育工程领域，极大地促进了体育科学和人文发展。纳米材料科学是一个生机勃勃、发展最快的领域。纳米技术在运动中的应用包括主要使用的纳米材料，例如碳纳米、二氧化硅纳米颗粒、富勒烯、碳纳米颗粒，它们在运动器材中具有多种性能。

2.1 碳纳米

碳纳米技术开始于20世纪90年代，它的呈现使国家经济有了很大的改善和提高。它的内部结构属于层次类型，在催化和器件领域可以表现出特殊的化学性质。与此同时，新型纳米材料出现于石墨烯和纳米管之后，现在新型碳纳米材料成为许多研究领域的一个热点[4]。

（1）碳纳米管。碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，一般可分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和双壁碳纳米管。

（2）碳纤维。分为丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维两种。碳纤维质轻于铝而强力高于钢，它的比重是铁的1/4，强力是铁的10倍，除了有高超的强力外，其化学性能非常稳定、耐腐蚀性高，同时耐高温和低温、耐辐射、消臭。

（3）碳球。根据尺寸大小将碳球分为：a）富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构，直径在2～20 nm之间)，如C60、C70等；b）未完全石墨化的纳米碳球，直径在50nm～1μm之间；c）碳微珠，直径在11μm以上。另外，根据碳球的结构形貌可分为空心碳球、实心硬碳球、多孔碳球、核壳结构碳球和胶状碳球等。

2.2 二氧化硅纳米颗粒

二氧化硅是一种用于生产玻璃的材料，其特征是导热不良。二氧化硅涂层构成气凝胶的骨架，气凝胶主要是空气和二氧化硅组成，由于空气和二氧化硅的导热系数都非常低，因此它们是出色的绝缘体。这些特性使纳米气凝胶成为目前最好的隔热材料之一。

2.3 富勒烯

富勒烯是一种类似空心球的同素异形碳改性物。球形富勒烯看起来像一个足球。1990年以后，当Kratschmer和Huffman发现了用电弧法制备的方法之后，开始大量生产具有C60分子的富勒烯和其他富勒烯的宏观量[5]。

2.4 碳纳米粒子

碳纳米颗粒已被广泛应用于运动，例如公路赛车。聚合物材料（如碳纳米粒子）的电导率可通过掺入导电填料而大大提高。

赖斯大学的最新发现是持续了十多年的研究结果，尽管如此，它还是引起了很大的震惊。赖斯大学的科学家，美国空军和以色列理工学院发现，他们生产了一种新型的碳微管（CNTs），即看起来与纺织纤维相似的微纤维，或者带有热和电的金属丝[6]。

3 纳米技术在体育领域中的应用

体育活动需要特定的设备和器械以及设备的材料质地和设计，这在体育发展中起着至关重要的作用。纳米技术在体育领域中的应用主要体现在两大方面∶一是在体育基本设施上的应用，如运动场馆、运动器材、运动服装和运动生物学等项目的建设。二是在体育器材上的应用，如增强高尔夫、网球、游泳、赛车和自行车运动中。纳米技术具有巨大的潜力，可以改善体育领域的各个方面。

3.1 纳米材料在体育基本设施上的应用

（1）纳米材料在运动场馆建设中的应用

运动场馆是人们进行运动训练、体育活动和体育锻炼的专业场所，是运动的物质基础。从体育场的墙壁、地板和玻璃到吸音板等，纳米材料已参与到体育馆的建设中，可防止液态水渗透，这使石材更易于加工清洁。该膜还可以保持石材的质地和呼吸作用，避免长时间积聚水分，防止形成锈蚀和缺陷，并延长其使用寿命。专门用于玻璃幕墙的TiO2纳米保护液也被应用到玻璃天花板上，涂布后的玻璃表面具有超亲水性。该特性可以使水完全均匀地散布在玻璃表面上，并使玻璃和污染物充分湿润，并通过水的重力带走污染物，并且不附着灰尘，从而实现自吸，清洁效果并保持玻璃的长期整洁度。在涂料中添加纳米二氧化钛，不仅可以屏蔽紫外线，还可以最大限度地减少甲醛、氨、苯等挥发性物质，因此具有净化室内空气的作用。

（2）纳米材料在田径运动中的应用

纳米材料的塑料水泥跑道比普通运动场馆使用的聚氨酯要好，因为它具有更好的抗摩擦性能，可以证明并符合国际环保标准。纳米材料轨道是在传统轨道上添加一定比例的纳米材料并采用一定的手段，生产纳米材料聚氨酯，可以改变其物理性质。通过实验比较，纳米材料不仅具有适当的弹性、耐磨性、耐老化性和硬度，而且还具有较好的力学性能，其质量是普通聚氨酯的两倍。当在纳米材料赛道上比赛时，运动员会感到更加舒适。

（3）纳米材料在运动草坪上的应用

随着现代体育的发展，将会有人造草坪取代天然草坪的趋势。在激烈的竞争中，人造草坪的强度和柔韧性越来越不足，这是草坪纤维的关键部分。我们可以采用硅烷A和超分散流体B来处理其表面。通过熔化的方法，得到低密度的材料，由纳米级CaCO3材料制成的运动草坪。研究表明，纳米材料CaCO3在硅烷A和超分散液B的作用下将发挥最佳功能。纤维的晶体会随着CaCO3的增加而增加，从30.5%增加到32.5%。纳米材料CaCO3在纤维的分解，断裂等方面，对纤维具有更好的效果，并且比家用产品具有更好的功能。在运动草坪上有很好的应用。

（4）纳米材料在运动场空气净化中的应用

运动场馆有了很大的进步，人们对空气净化的功能越来越关注。传统上我们采用阴离子对空气进行净化，实际上它只是新鲜空气，几乎不能去除任何污染物。然而，一种新型的空气净化装置可以克服这些缺点，从而达到更好的效果。它具有超强的氧化还原能力，可以杀死细菌、病毒、制剂等，以达到新鲜的目的。将纳米材料TiO2放入混凝土中，利用其光催化作用制成光化学混凝土。在光的照射下，TiO2可以去除空气中的NO2。

3.2 纳米材料在体育器材上的应用

（1）网球中的纳米技术

网球拍和羽毛球拍都采用了先进的纳米材料技术。在减轻球拍重量的前提下，增强球拍的弹性和手感。威尔逊的网球拍将纳米材料SiO2放入碳纤维材料中，以保护其结构，获得更高的强度和耐用性。日本SRI体育公司生产了结实的网球拍，它的重量仅为空气的三倍，但强度却是空气的4000倍。YONEX还成功地将纳米材料放入了碳原子中[7]。提高30%的强度，10%的耐久性和两倍的稳定性。

（2）自行车中的纳米技术

2008年的法国巡回赛，瑞士的Phonak团队的运动员使用带有钢管的自行车进行比赛，其重量不超过一公斤，强度很高。纳米材料中钢的掺杂只有1.3%，可将自行车的功能提高15%至25%，而其重量减轻15%[8]。

（3）运动艇中的纳米技术

运动艇减摩涂层是中国科学院专家的一项独立研究成果，它比目前普遍使用的抛光蜡的船只具有更多的优势。减摩剂在以氟蜡为基体材料的固化过程中具有较强的抗磨性，通过表面改性和特殊处理，具有纳米颗粒的包埋和微抛光作用，使其分散在蜡基中[9]。减摩剂可通过手工或机械擦涂技术涂覆在船底，从而形成超薄功能的超薄改性，且无增重、无污染，具有抛光、防污、稀水和防水粘合性，因此，对运动艇表面进行了许多改性。减摩涂层可用于淡水环境，可显着降低船的水力阻力。船上的流体阻力对比测试去掉了减阻器后，在3.5～6.5 m/s的船速极限（匹配速度范围）内，它可使世界顶级运动船对水的摩擦阻力降低1%～1.5%。

（4）游泳中的纳米技术

纳米创新是“LZR Racer泳衣”，由于其革命性的空气动力学特性，如今，大多数专业泳者都在使用它。例如，美国游泳选手迈克尔·菲尔普斯（Michael Phelps）能够打破七项世界纪录的同时获得八枚金牌，还有25人在这次奥运会上打破了世界纪录。尽管他们的惊人运动能力毋庸置疑，但高科技泳衣在这些世界纪录比赛中的作用也无可置疑[10]。

（5）高尔夫中的纳米技术

通过增强设备，纳米技术改变了高尔夫的玩法。一种新设计的高尔夫球杆，杆的长而狭窄的部分覆盖有纳米材料，使我们能够通过确保高尔夫球头的速度来减轻重量并提高强度。威尔逊公司不仅在高尔夫球杆中使用纳米材料，而且还通过将纳米材料与石墨纤维混合，在运动中使用纳米技术占主导地位。使用电化学电池进行电沉积，带负电的金属溶解，金属原子重新沉积在带正电的球杆头上。球杆杆头表面的纳米颗粒金属致密层导致球杆杆面更轻更坚固（图3）。纳米填充了杆中的小间隙，从而使间隙更牢固、更一致。

图3 球杆杆头表面上的纳米晶粒金属致密层[11]Fig. 3 Nano-grained metal dense layer on the surface of the club head

（6）撑竿跳高中的纳米技术

北京奥运会期间，女子撑竿跳高金牌获得者伊辛巴耶娃（Isinbayeva）使用的碳纤维杆头和尾部采用了大量纳米材料，杆体重量轻，可以弯曲到90°储存大量能量，并快速反弹。随着现代杆生产技术的成熟和完善，根据杆的应力差和上下弯曲弧度，设计出强度最合理的不同零件，并生产出“个性化”杆。纳米材料的应用将撑竿跳高的性能得到显著提高。

（7）冲浪中的纳米技术

檀香山的Oceanit Laboratories Inc.公司是2006年第一家生产嵌入纳米材料的冲浪板的公司。它做出了世界上第一个“纳米”冲浪板，将纳米材料加入环氧树脂涂料中后使冲浪板比普通的环氧树脂更坚固。

来自Sea City的冲浪者Andy Jordan提出了一种防水解决方案，使用纳米产品使冲浪板变薄。它被定义为一种平板增强器，可以满足冲浪板底部的所有不规则之处[12]。这些产品由数百万个分子结合的银、玻璃、陶瓷和钻石颗粒组成。应用于冲浪板的表面约为30nm。

（8）竞技运动中的纳米技术

纳米银等材料在田径运动中的应用是无毒、无味、无变质、无分解且不会刺激人体皮肤的。中国已经在运动鞋的开发中添加了纳米银，以使其具有抗菌性。纳米纤维在摩擦制动中起着至关重要的作用，特别是对于球手来说，起步和制动都很重要。此外，人们正在不断提高纳米纤维的弹性并减轻其重量。这样，可以大大提高鞋子的弹性势能和可变速率[13]。

3.3 纳米材料在运动营养补充品中的应用

纳米技术可以用于营养补充剂的研究，可以将营养成分加工成纳米粉或悬浮液，以提高人体的吸收率，更好地发挥营养补充剂的生物活性，提高运动能力，促进人体健康。释放运动中的疲劳感，并确保运动员的健康。微量元素硒在生物活动中起着重要而不可或缺的作用。纳米硒是继有机硒之后的更新硒补充剂，具有生物活性高、安全指数高、技术含量高、纯度高、稳定性高等优点。生物学实验表明，纳米硒具有神奇的生物活性，其急性毒性是无机硒的1/7，有机硒的1/3。另一方面，与无机硒相比，纳米硒粒子清除自由基的活性提高了5倍，超氧阴离子和过氧化氢的清除能力大大提高，其对免疫调节和抑制肿瘤的敏感性也大大增加[14]。

4 纳米材料的市场需求与展望

2016年，全球运动器材市场约为649亿美元，预计将以12.2%的速度增长。运动球类装备的市场份额占总市场价值的23.7%，代表最大的市场份额。在各种纳米材料中，碳纳米管是用于纳米增强运动设备（例如高尔夫球杆、球拍、滑雪板、滑雪板等）最杰出的纳米材料。2016年，碳纳米管的全球市场（各种等级）约为1.92亿美元，并且预计的复合年增长率为22.4%，到2020年将达到5.27亿美元[15]。运动器材是碳纳米管市场的主要领域之一，约占碳纳米管年消费总量的14%，在不久的将来很可能会更多。纳米材料可以使某些运动器材好很多。在市场上变得更畅销，甚至在性能/耐用性方面提高了10%～20%。

尽管纳米材料具有各种优势，但由于该技术价格昂贵且处理复杂，因此市场上没有大量的纳米技术增强型运动器材。因此，在体育领域继续对纳米技术进行技术开发与工程应用优化是社会需求，将能带来很大的经济效益。

5 结语

纳米技术是一项影响我们日常生活各个领域的新技术，目前大多数纳米技术产品随处可见。作为奥运会的环保角色模范项目，首都体育馆已将纳米材料投入建设。纳米材料科学技术将作为一个新兴的科学领域，对体育产业的发展产生巨大的影响，但仍需要找到与纳米材料和技术以及竞技体育相匹配的突破点。许多杰出的运动员选择纳米制造的运动器材来提高其性能。但是由于这是一套技术，因此不是每个运动员都能买得起纳米增强的运动器材。因此，需要将该纳米技术以普遍化产品在体育领域推广开来，增大技术的普及程度和运动水平，让每位运动员享受公平的运动体验，让每位运动爱好者享受高技术的洗礼。