認知能力をリフレッシュしましょう！中国の研究者が「溶けない氷と雪」を生成

2022年北京冬季オリンピックが開幕し、氷上・雪上スポーツの人気は高まり続けています。我が国が提唱する「氷と雪の上３億人」のビジョンが現実のものとなりました。

氷上・雪上スポーツを推進するには氷が必要です。しかし、自然のままの氷や雪は気温が上昇すると溶けて水が滴り落ちてくるので困ります。アイススケートリンクを手作業で建設するには、排水システム、砂利の基礎、加熱セメント層などを構築する必要があります。プロセスは複雑で、機動性が悪く、コストが高くなります。

北京理工大学航空宇宙学部の張凱教授のチームは、新しいタイプの材料「ゲル氷雪」を開発した。最大の特徴は「溶けない」こと。

最近、張凱氏のチームが製作したゲル氷雪板が中国科学技術博物館の「科学技術冬季オリンピック」テーマ展で公開された。ブースは大きくなかったが、多くの通行人の注目を集めた。好奇心から、誰もが手を伸ばして触ってしまいます。子供たちはとても喜んでいました。彼らは体の半分を氷の上に投げ出して、「冷たい、冷たい、そして滑りやすい！氷だ！」と叫びました。

ジェル氷雪は90%以上が水分なので、見た目も感触も天然の氷雪とほぼ同じです。

実際、室温でゲル状の氷や雪はハイドロゲル素材です。ゼリーに似た感触ですが、機械的特性が優れています。手でつついてみれば、表面が少し沈んですぐに元に戻るのがわかります。毛布のように、押したり、引っ張ったり、丸めたりすることができます。

溶けない秘密は親水性ポリマーネットワークにあります。この種のネットワークの設計と準備には細心の注意が必要です。化学的手段による様々な物質の重合反応によって形成されます。さまざまなニーズに応じて、ポリマーネットワークの材料、形状、架橋方法も異なります。ポリマーネットワークがなければ、温度が上昇すると氷の結晶は溶けて水になります。しかし、ポリマーネットワークを追加すると、溶けた水もグリッド内にしっかりと閉じ込められ、逃げることができなくなります。これにより、ハイドロゲルは加熱されても形状を保持することができ、液体と固体の中間の状態になります。実際、私たちがよく知っているフェイスマスクや解熱パッチはすべてハイドロゲルです。

張凱氏のチームは、ゲル氷とゲル雪を作る際に、無毒、無害、天然、環境に優しく、人々が直接触れることができる生体適合性のある材料を意図的に選択した。

ハイドロゲルに自己冷却装置の層を追加することで、氷板や氷壁を作ることができます。水は加熱しても滴り落ちないので、精巧なレリーフを作るのに使用できます。これは、氷の上でレリーフを長期間保存できる世界で唯一の既存の技術的ソリューションです。科学技術館に展示されている氷板には「都市の塔」や「雪の結晶」が彫られています。多くの人が触ったにもかかわらず、模様の形は鮮明に残っていました。

街中で小さな「氷雪カーニバル」を開催したい場合も、ジェル状の氷と雪なら持ち運びや設置も簡単です。常温で巻いて氷の層を置き、冷蔵ユニットを追加すると、到着時に溶けない小さなアイススケートリンクに変身します。

ジェル氷とジェル雪は、人工氷では得られない本物の氷と雪の体験を提供します。さらに、原材料が安価で、調製方法も簡単で、高価な大掛かりな器具を必要とせず、使用中のメンテナンスも容易です。人工製氷技術に比べてコストを大幅に削減できます。

他にも興味深いアプリケーションがたくさんあります。

たとえば、氷と雪をテーマにしたカフェをオープンします。ジェルアイスやジェルスノーで作られたジェルアイスカップやジェルアイスボウルは、溶けたり形が崩れたりせず、強度が高く、割れにくく、再利用が可能です。考えてみてください。お客様が美しいアイスカップを手に取り、そこに熱いコーヒーを注ぎます。コーヒーは冷め、アイスカップは温度の上昇により柔らかくなり、歯ごたえのある状態になります。セレブのチェックインスポットになる可能性を秘めています。

引き続き資料の作業を行うこともできます。ゲル氷やゲル雪は、光学的、電気的、磁気的などの特性を持つ要素を導入して、光らせたり冷蔵庫のマグネットにしたりするなど、機能的なデザインを実現できます。

張凱教授率いるゲル氷雪チームは、北京理工大学航空航天学院力学学科の波動力学チームに所属しています。チーム全体では、主に大型航空宇宙機器や水中機器の衝撃吸収や騒音低減の問題を研究しています。彼らは数年前からハイドロゲルの研究を始めており、主にハイドロゲルを音響と組み合わせて、海洋機器や医療用の高度な音響材料を開発することに重点を置いています。たとえば、B 超音波中に人間の皮膚に塗布されるカップリング剤もポリマーハイドロゲルです。チームが開発した新しいハイドロゲルは、患者により良い体験とより鮮明な超音波画像を提供することができます。 「ハイドロゲルは大きな可能性を秘めた素材であり、将来的には多くの分野で活用できるようになるだろう」と張凱氏は語った。

しかし、ハイドロゲルと氷雪の組み合わせは世界初です。張凱さんは、4年以上前に学校から、教師たちに北京冬季オリンピックのために研究の強みを積極的に活用するよう奨励するメールを受け取ったことを今でも覚えている。張凱さんは、科学技術を通じて国に貢献してきた輝かしい伝統を持つ大学であるBITの科学研究チームとして、氷と雪の文化の振興に貢献すべきだと感じている。 2008年、張凱さんは北京オリンピックの110メートルハードル競技を観戦し、オリンピックの雰囲気に深い感銘を受けた。 「もっと多くの人に氷と雪に触れてもらい、氷と雪を好きになってもらい、氷と雪の文化を体験してもらう方法を見つけたいだけです。」

チームは、この溶けない氷と雪が、より多くの人々に氷と雪の魅力を伝えることができることを願っています。

出典：科技日報