納米材料在運動護具產品中的應用

張 嬌

（陜西國際商貿學院，咸陽 712000）

納米是一個計量長度的單位，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、表面效應、宏觀量子隧道效應及許多其它的特殊特性。與日常生活中常見的材料相比，納米材料具有相當不同的電、熱、磁、光等物理性質，研究發現納米材料具有許多優良和奇特的性能，因此其在電子、材料、光電等領域的應用十分廣泛。隨著現代科學技術的不斷發展，現代體育的發展也取得了巨大的進步，現代先進的科學技術及其先進成果已經在體育領域的各個方面得到了十分廣泛的應用，也是的現代體育運動發展得越來越快。在現代體育領域中，納米材料被更多的應用于運動裝備和運動器材中，這也使得運動設備及器材的性能得到了極大的提高。近些年來，體育運動材料中，納米技術呈現極好的發展態勢，對競技體育的發展發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

納米是一個長度計量單位，1nm 相當于1/11m。納米材料指的是尺寸范圍在納米量級（100nm 一下）內的材料。當材料被分割成這么小的微粒時，就會擁有許多奇特的性能，成為一種新型材料。納米材料學是結合了膠體化學、凝聚態物理學、化學反應動力學、配位化學、界面學、表面學等多種學科的交叉科學[1]，它是現代材料學科學中十分重要的部分，常被稱作21世紀材料。

圖1 常見的納米材料Fig.1 Common nanomaterials

1.2 納米材料分類

按照基晶體結構形態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構單元在其三維方向上的尺寸都在1~100nm范圍內，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構單元在二維方向上已經達到了納米特征，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構單元在一維方向上已經達到了納米特征，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，其材料結構單元三維方向上都形成了大尺寸塊狀體材料。

1.3 納米材料的結構特征

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

1.4 納米材料的制備方法

納米材料有多種制備方法，根據制備原理即可分為化學方法和物理方法兩類。而根據所制成的產物的結構形態又可以分為低維納米材料制備法和納米復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氣相沉積法。最常用的納米復合材料制備法是插層復合法。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

這種效應的產生主要是因為構成材料的微粒直徑減小，導致表面原子數量增多。比如，當材料微粒的直徑為五納米和十納米時，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出現一些奇異的現象，例如無機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

納米微粒的尺寸同光波的波長，以及其超導態的相干長度和透射長度、傳導電子的德布羅意波長等等物理特征尺寸相差不大或者比之更小時，納米微粒的周期性邊界就會被破壞，導致納米材料的電、光、熱、磁、聲等性能出現奇特的現象[3]，比如二氧化硅顆粒在常見的宏觀尺寸下是絕緣的，但是當其顆粒尺寸達到20nm 時就具有了導電性能；銅顆粒宏觀尺寸下是導電的，但是其顆粒尺寸達到納米尺寸是就不具備導電性能了；將納米材料與高分子材料結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能更加高效的轉化為電能、熱能，另外納米材料的這些性能還可以應用到紅外隱身技術及紅外敏感元件方面。

1.5.3 量子尺寸效應

當材料的微粒尺寸達到納米量級時，其費米能級附近的電子能級會從連續狀態分裂成分立能級。當微粒的能級間距比磁能、熱能、靜磁能、靜電能、超導態或者光子能的凝聚能大時，材料就會出現量子效應，進而導致材料的聲、光、電、熱以及超導電性能發生巨大變化。比如某種金屬納米粒子具有非常強的吸收光線的能力，將千分之一該粒子放入1.1365kg水中，水就會變得完全不透明。

1.5.4 宏觀量子隧道效應

隧道效應指的是微觀粒子具有貫穿勢壘的能力。隧道效應出現在納米粒子的磁化強度等方面，即納米粒子能夠穿過宏觀系統的勢壘進而發生一些列變化，這也是納米粒子的宏觀量子隧道效應。

2 納米材料在運動產品中的主要用途

2.1 具有減阻作用的運動產品

在體育競技中與速度競技相關的項目，所使用的減阻運動產品較多。例如游泳運動員的泳衣，一款Fastskin 泳衣，它是利用納米技術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動阻力，同時因為彈性材料的使用使得運動員可以合理地分配關節和肌肉的負荷，也利于運動過程中運動動力的產生。另外運動船艇中也可以使用納米材料，將強疏水的水光固化含氟蠟作為船艇減阻涂層的基質材料，然后采用納米粒子進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材料中，形成具有優良減阻性能的減阻層[4]。

圖2 納米涂層設計Fig.2 Nano coating design

2.2 具有增加性能減輕重量作用的產品

為了減輕運動產品的重量，納米技術被更多的用在了球拍的制作中，例如羽毛球拍、網球拍、乒乓球拍等，同時也使得產品的各項性能得以提升，如手感、使用壽命、彈性等等。納米材料也被應用帶跑鞋、自行車等產品中，主要是為了增強其抗沖擊能力，同時減輕產品重量，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，同時它具有良好的強度和剛度。

2.3 具有增加牢度和增強彈性的運動產品

在許多田徑項目比賽中，運動員的競技成績會很大程度上受到跑道的影響，因此科研人員采用納米技術開發了一種納米跑道，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]。研究結果表明，納米跑道不僅具有傳統的聚氨酯塑膠跑道的特點，其阻燃、耐磨、防霉等性能也更加優良。此外納米跑道還具有優良的回彈值和壓縮復原性，能夠使運動員在比賽中擁有好的舒適感，利于優異成績的取得。

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

2.4 具有疏水作用的運動產品

經過納米技術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用在滑雪服中，另外在皮劃艇、賽艇訓練中穿著納米防水服，能使運動員在冬日訓練中免受濕衣寒冷之苦。

2.5 具有保健防護作用的運動產品

納米技術可以有效提高藥物的生物利用率，同時對減小藥物副作用也具有重要意義，因此納米藥物在醫學領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，因此具有更強的穿透能力，使得納米中藥更多的被穿透皮膚，更容易進入血液循環中。

近些年來，納米科技取得了一定的發展成果，而將納米科技合理的運用到體育運動中，提升運動員的運動能力和充分發揮運動員的技術水平已經成為科研人員的重要研究內容。但是目前我們對納米材料的認識還不夠充分，對納米材料的生物安全性能還不夠了解，不了解其對機體產生潛在危害，此外納米材料的不合理使用也會對運動員的身心健康存在不良影響，同時違背了奧林匹克運動精神。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入人體血液循環，使藥物發揮更好的功效，但是也因為藥物粒徑小其毒副作用也有一定程度的增大，已經有相關研究表明常規藥物經過納米顆粒裝載后，其細胞毒性、急性毒性以及腎毒性等明顯大。此外，將納米材料運用到運動器材中，使得器材更加高科技化，但是這也會使遠動員在競技體育中的主體地位削弱，使得運動員更加依賴服裝和器械，或許會帶來一些新不公平現象，甚至可能會有器材作弊現象的發生。這說明在享受納米技術帶來的巨大好處的同時也面臨著非常嚴峻的挑戰。所以我們必須更加公正、客觀、全面的審視納米技術和納米材料，使現代體育競技更加健康穩定的發展，合理運動現代先進技術促進體育運動又好又快發展。

3 納米材料在體育運動防護產品中的具體應用

3.1 在體育服裝中的應用

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，同時納米材料也不會對紡織品的手感和透氣性能產生任何影響。瑞士蘇黎世大學物理化學研究所于2010年研發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不會接觸到水[7]。這種新型納米布料即使在水中浸泡超過兩個月，也能保持干燥的狀態，也是目前為止研發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動時的阻力，因此被廣泛的應用于新型泳衣的開發制造中。此外，美國研究機構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。該織物可以儲存能源，并且保留紡織品的力學性能，所以這種織物能夠在具有移動反應功能的運動服裝中得到應用。

在帆船、賽艇、皮劃艇的水上運動項目中，運動員常會出現病毒性心肌炎、感冒等病癥，所以對運動員的訓練防護工作需要更加重視?？蒲腥藛T利用納米技術開發出了新型的水上項目訓練服，其具有透氣、防水、保暖、耐洗滌、耐光照、耐高溫、遠紅外線保健等多種功能，此外好在這些水上項目運動員容易感染的運動服部位使用了防臭、抗菌、防霉的多功能纖維，這對運動員的日常訓練防護起到了重要作用。例如我國開發的一款納米運動衣，與普通的運動衣相比，其質感基本沒有什么差異，但是這款運動衣具有防水、耐洗滌、保暖的功能，相關數據顯示，使用這款運動衣后，水上運動員感冒的次數明顯減少，病毒性心肌炎的發生率也大大下降。

研究人員研發了一款具有納米效應透氣層和納米效應防水層的水氣單導式納米功能鞋，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、氧化鈦復合材料，然后利用氟碳表面活性劑以及全氟烷基成模物質，并在一定的條件下和基材原位復合，最后形成納米結構薄膜。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穩定性，使得功能鞋的防水透氣層具有對水油的雙疏效應，同時確保氣體可以隨意通過。這款功能鞋以納米微容體結構的硅基氧化物作為載體，并在微容體中組裝入無機鋅、銀等離子或者一些其他的功能離子，在對其進行半封孔，促使長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合，能夠促使才周圍空間產生原子氧，其極強的氧化性有助于細菌的滅殺。

3.2 納米材料在運動器材中的應用

納米材料被率先應用于網球拍、乒乓球拍、羽毛球拍等球拍中，可以有效減輕球拍的重量，同時使得其使用壽命、彈性和耐用性大大提升。例如Wilson nCode網球拍，該球拍是在碳纖維復合材料的孔洞中填充入納米級的二氧化硅，從而使得材料的結構更加完善均勻，同時擁有更高的強度。日本研發了一款硬式網球拍，這款球拍的質量只有空氣的3倍左右，其強度卻又自身重量的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%，耐沖擊性強度也提高了至少30%，穩定性和反彈性能也大大提高，增強了整個球拍的手感。

3.3 納米材料在運動護具中的應用

在體育運動中，運動護具是必不可少的運動裝備，好的運動護具能夠有效保護運動員在運動過程中不受傷害。日常運動中常見的運動護具如頭盔、呼吸、護腕以及一些運動保護服裝，這些都能起到一定的保護作用，將納米材料應用到運動護具的制造中，能夠一定程度的提升運動護具的保護功能，如提升耐磨性能，延長使用壽命，增強透氣性能，增強運動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。隨著現代體育競技的不斷發展，運動護具的需求量也日益增長，納米材料的優異性能使其在運動護具領域的應用前景十分廣闊。

4 結語

科學技術的不斷發展進步，推動了現代體育運動的發展，尤其是一些先進的新型材料的開發利用。近些年來納米技術取得了巨大成果，納米材料的研究開發技術也愈加成熟，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，納米材料在體育領域的應用越來越廣泛，其在運動護具上面的應用，能夠顯著提升運動護具的各項性能，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用到現代體育領域中，對現代體育運動的發展進步具有巨大促進作用。