楊 磊，陳 亮

(西安醫(yī)學(xué)院,陜西西安 710021)

在競(jìng)技運(yùn)動(dòng)中變得越來(lái)越高、越來(lái)越快和越來(lái)越強(qiáng)大的過(guò)程中,必須使用現(xiàn)代技術(shù)來(lái)最大限度地發(fā)揮人類潛力并提高人類能力。為了確保運(yùn)動(dòng)器材制備中使用的材料具有低密度、高模量、耐熱性和耐磨性,高級(jí)新型納米材料已廣泛用于運(yùn)動(dòng)器材加工項(xiàng)目中[1]。納米材料的功能特性不同于傳統(tǒng)材料,這決定了相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[2]。近年來(lái),各種形式的納米材料已經(jīng)滲透到競(jìng)技運(yùn)動(dòng)中,極大地促進(jìn)了運(yùn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的提高以及“科學(xué)”和“人性化”運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。納米材料的特殊結(jié)構(gòu)具有傳統(tǒng)材料所沒(méi)有的特殊或不同尋常的特性,因此在許多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。納米材料已廣泛應(yīng)用于體育領(lǐng)域,例如體育館、體育器材和運(yùn)動(dòng)服裝,并為體育界帶來(lái)了許多好處[4]。各種類型的納米材料已廣泛應(yīng)用于競(jìng)技體育中,極大地提高了體育競(jìng)賽的水平,并促進(jìn)了體育的科學(xué)發(fā)展[5]。納米技術(shù)將不可避免地對(duì)未來(lái)社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響,納米材料在體育領(lǐng)域的應(yīng)用將對(duì)體育產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重大影響[6]。

納米材料作為一種高科技材料,其物理性能與傳統(tǒng)材料明顯不同,具有優(yōu)異的性能和新的性能[7]。界面在基體和鋼筋之間的應(yīng)力傳遞中起著重要作用,界面的機(jī)械性能直接影響復(fù)合材料的整體力學(xué)性能[8]。并且添加納米增強(qiáng)材料可以極大地改善復(fù)合材料的界面,從而改善復(fù)合材料的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能[9]。新型納米材料的優(yōu)勢(shì)比傳統(tǒng)材料更為明顯,但就機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)而言,它們?nèi)跃哂胁磺宄膽?yīng)用性能,這使其不適用于運(yùn)動(dòng)器材的目標(biāo)設(shè)計(jì)[10]。為了更好地理解復(fù)合材料的界面和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,需要對(duì)復(fù)合材料的界面力學(xué)行為以及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行深入而詳細(xì)的研究[11]。本文重點(diǎn)研究納米材料在體育領(lǐng)域中的應(yīng)用,并討論了納米材料的生物安全性。

1 納米技術(shù)在體育領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值與作用

1.1 納米材料在體育場(chǎng)館中的應(yīng)用

在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中,職業(yè)運(yùn)動(dòng)員通常具有諸如整體效率低,運(yùn)動(dòng)損傷多以及運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的實(shí)時(shí)監(jiān)控不足的缺點(diǎn)。在現(xiàn)代競(jìng)技體育中,納米技術(shù)的越來(lái)越多的應(yīng)用使上述缺點(diǎn)更加明顯。新的復(fù)合材料是人造材料。每個(gè)材料成分的比例、分布和形式都需要通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得,以便能夠設(shè)計(jì)復(fù)合結(jié)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、體育比賽和體育鍛煉的專業(yè)場(chǎng)所,是體育活動(dòng)的物質(zhì)支持。在我國(guó)國(guó)家體育場(chǎng)的建設(shè)中,墻壁、地板、玻璃和吸音板都涉及納米材料[12]。新的復(fù)合材料不僅必須保留單一材料組件固有的功能優(yōu)勢(shì),而且還必須滿足處于復(fù)合狀態(tài)的各種單一材料組件之間的相關(guān)性和互補(bǔ)性。

應(yīng)用于體育館墻壁的納米涂料包括納米內(nèi)墻涂料和納米外墻涂料。內(nèi)墻涂料主要利用其獨(dú)特的光催化技術(shù)來(lái)分解和消除空氣中的甲醛和氨等有毒有害氣體,凈化室內(nèi)空氣,并具有強(qiáng)大的抗菌和抗污染能力[13]。納米外墻涂料利用其極低的表面張力、強(qiáng)附著力以及高硬度和韌性。目的是增強(qiáng)外墻的自潔性、防塵性和耐臟性、附著力、抗紫外線性、光澤和保色性等。它在石材孔隙的內(nèi)壁上反應(yīng)形成薄膜,薄膜的極低表面張力可防止液體水滲透,并使石材更易于清潔[14]。這有利于增強(qiáng)石材的質(zhì)地,減緩水分或液態(tài)水在石材內(nèi)部的滲透,并促進(jìn)石材的性能和使用。

1.2 納米材料在徑賽跑道中的應(yīng)用

對(duì)于納米跑道,主要是在傳統(tǒng)的塑料跑道材料中添加適量的納米粉,并采用相關(guān)方法生產(chǎn)納米聚氨酯,從而制造出性能明顯優(yōu)于普通塑料跑道的納米跑道。這種跑道不僅具有高強(qiáng)度,良好的彈性、耐磨性、耐老化性,以及合適的硬度和耐久性,而且其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率是普通聚氨酯材料的幾倍[15]。在現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)迅速發(fā)展的背景下,天然草皮逐漸被人造草皮取代,但如果運(yùn)動(dòng)阻力強(qiáng)度高,則有常常會(huì)出現(xiàn)草皮纖維缺陷,例如柔韌性差、強(qiáng)度低,因此影響運(yùn)動(dòng)對(duì)抗的效果。

與未填充納米碳酸鈣的運(yùn)動(dòng)草皮纖維相比,改性草皮纖維的特點(diǎn)是線密度低、纖維性能好。納米塑料跑道比普通運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館使用的聚氨酯塑料跑道更耐磨,阻燃、防霉,其環(huán)保性能達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。納米跑道不僅繼承了普通聚氨酯塑料的高強(qiáng)度,良好的彈性、耐磨性、耐老化性,合適的硬度和耐久性,而且還表現(xiàn)出良好的機(jī)械性能[16]。由于其出色的回彈值和壓縮恢復(fù)率,在納米賽道上,運(yùn)動(dòng)員會(huì)感到更舒適,可以創(chuàng)造更好的成績(jī)。利用納米材料的特性來(lái)改善特殊運(yùn)動(dòng)器材和裝備材料的成分,使其更輕、更有彈性、更穩(wěn)定、手感更好,從而降低了運(yùn)動(dòng)中的阻力并節(jié)省了能量消耗。

1.3 納米材料在體育裝備的應(yīng)用

體育不僅是一種流行文化,而且是一項(xiàng)專業(yè)項(xiàng)目。作為一種流行文化,體育強(qiáng)調(diào)娛樂(lè)和參與,旨在改善人們的健康。從專業(yè)項(xiàng)目的角度來(lái)看,運(yùn)動(dòng)器材主要服務(wù)于專業(yè)運(yùn)動(dòng)員,對(duì)表演價(jià)值的追求明顯高于經(jīng)濟(jì)價(jià)值[17]。競(jìng)技體育是一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)技巧和智力競(jìng)賽,在比賽過(guò)程中,運(yùn)動(dòng)員必須使用某些設(shè)備來(lái)進(jìn)行身體、技術(shù)和心理比賽。裝備是運(yùn)動(dòng)員參加比賽的必不可少的手段。納米技術(shù)可以根據(jù)體育賽事的具體要求和運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作的特點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)裝備的質(zhì)感,從而可以提高裝備和設(shè)施的性能,更有利于運(yùn)動(dòng)員充分發(fā)揮良好的狀態(tài)。

在網(wǎng)球應(yīng)用上通過(guò)納米材料噴涂產(chǎn)生氣體阻隔層,可以減慢空氣通過(guò)橡膠芯殼的滲透,并且球上的壓降將變得非常緩慢,從而大大延長(zhǎng)了網(wǎng)球的壽命。新的復(fù)合材料在運(yùn)動(dòng)器材上的應(yīng)用已成為一種慣例。與傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)器材的構(gòu)成材料(例如皮革、木材、橡膠等)相比,這些材料優(yōu)點(diǎn)成本低、生產(chǎn)方便。例如隨著現(xiàn)代的撐竿制作工藝日臻成熟和完善,根據(jù)撐竿從上到下受力的差異和彎曲的弧度來(lái)設(shè)計(jì)不同部位最合理的強(qiáng)度,生產(chǎn)“個(gè)性化”的撐竿已成為可能。

納米技術(shù)還廣泛用于乒乓球拍、羽毛球拍、網(wǎng)球拍和其他球拍。它不僅可以增加球拍的手感、耐用性和彈性,還可以減輕其重量。普通網(wǎng)球拍的手柄通常由木頭制成,但是在引入納米技術(shù)之后,其總體結(jié)構(gòu)為納米管。納米結(jié)構(gòu)網(wǎng)球拍的性能大大超過(guò)了普通木制網(wǎng)球拍的性能,大大提高了球拍對(duì)球的擊球力,球拍的質(zhì)量和舒適度得到了很大的改善。在球拍表面上應(yīng)用納米材料可以有效防止空氣滲透,提高耐用性、手感和彈性。

在船上使用納米涂料可以降低船的運(yùn)動(dòng)的流體阻力,而不會(huì)影響船的重量、顏色和水質(zhì)。納米減阻劑使用疏水性光固化含氟蠟,并使用特殊工藝處理和改性納米顆粒,以使其在蠟基質(zhì)中的分散相對(duì)均勻,然后通過(guò)機(jī)械或手動(dòng)摩擦將其施加到船艇底部形成超薄膜。這樣,船表面的重量不會(huì)增加,也可以起到改性材料的作用。這種納米減阻劑對(duì)船的顏色、重量和水質(zhì)沒(méi)有影響,并且完全符合國(guó)際比賽的比賽規(guī)則。

2 納米材料的生物安全性分析

當(dāng)運(yùn)動(dòng)員與納米材料接觸時(shí),納米材料的超細(xì)納米顆粒比普通材料的大顆粒更容易穿透運(yùn)動(dòng)員的皮膚,甚至可以通過(guò)納米顆粒進(jìn)入人體細(xì)胞[18]。由于納米粒子的尺寸小,每單位體積的比表面積可達(dá)到數(shù)千,并且表面能極高。表面上的原子具有極高的活性,并且極不穩(wěn)定。它們易于與其他原子結(jié)合,并具有更強(qiáng)的相互吸附和團(tuán)聚作用。流行病學(xué)研究表明,空氣中的超細(xì)顆粒物在人體呼吸系統(tǒng)內(nèi)有很高的沉積率,粒徑越小越難以被巨噬細(xì)胞清除,通過(guò)呼吸進(jìn)入體內(nèi)的超細(xì)顆粒物容易向肺組織以外的器官轉(zhuǎn)移,且可以穿過(guò)血腦屏障、血眼屏障,并在這些地方蓄積[19]。目前,納米金屬、納米氧化物(如SiО2、TiО2)和碳納米材料等納米材料已廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)器材中,但是納米材料的生物安全性不容忽視,需要加強(qiáng)生物學(xué)研究。

大多數(shù)納米材料的特點(diǎn)是尺寸越小、毒性越大。因?yàn)槌叽缭叫?其表面積越大,反應(yīng)性越大,則進(jìn)入人體后與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的可能性就越大。納米粒子可以通過(guò)呼吸系統(tǒng)、皮膚接觸、注射或給藥進(jìn)入人類或動(dòng)物,并且可以積累并轉(zhuǎn)移到人體以產(chǎn)生生物效應(yīng),從而破壞細(xì)胞、肺組織、肝、腎組織和腦組織。納米材料可以通過(guò)嗅覺(jué)神經(jīng)突觸進(jìn)入嗅球并遷移到大腦,從而影響大腦中單胺神經(jīng)遞質(zhì)的代謝,導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)巨噬細(xì)胞炎性蛋白、神經(jīng)膠質(zhì)原纖維酸蛋白和神經(jīng)元細(xì)胞粘附分子升高,對(duì)腦組織造成病理?yè)p害和神經(jīng)毒性。宋慧瑾發(fā)表了一份報(bào)告,指出納米粒子可以穿透皮膚并進(jìn)入呼吸系統(tǒng)的其他器官[20],導(dǎo)致體內(nèi)某些激素和酶的活性喪失,或引起遺傳物質(zhì)突變,從而增加腫瘤的發(fā)生率或促進(jìn)衰老。

多壁碳納米管可引起肺纖維化和炎癥,并且相關(guān)的細(xì)胞毒性將通過(guò)酸化而增加。單壁碳納米管抑制細(xì)胞繁殖并減少細(xì)胞粘附。吸入納米SiО2會(huì)引起肺部炎癥,房室傳導(dǎo)會(huì)受阻,心肌缺血損害,血液粘度和纖維蛋白原濃度會(huì)增加。在體育館里,凈化空氣已成為人們的議事日程。傳統(tǒng)的負(fù)離子空氣凈化器只能達(dá)到新鮮空氣的效果,大多數(shù)污染物無(wú)法去除。有研究發(fā)現(xiàn)一種新型的光催化空氣凈化器克服了這些局限性,可以更有效、更徹底地消除空氣污染[21]。各國(guó)運(yùn)動(dòng)員只有在公平競(jìng)爭(zhēng)的基礎(chǔ)上才能維持和加強(qiáng)團(tuán)結(jié)與友誼的關(guān)系,奧林匹克運(yùn)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)其神圣的目標(biāo)。但是,在“高科技奧運(yùn)”環(huán)境中,對(duì)競(jìng)技體育成果產(chǎn)生決定性影響的不再是人類的潛力和技術(shù),而是高科技技術(shù)。納米技術(shù)作為一項(xiàng)高科技繼續(xù)發(fā)揮作用。

3 結(jié)語(yǔ)

競(jìng)技體育的魅力在于奧林匹克精神的“更高、更快、更強(qiáng)”。它是當(dāng)今世界體育的重要組成部分,它給人以激烈、和諧和美麗的感覺(jué),吸引了全世界的目光,它是人類創(chuàng)造的巨大精神財(cái)富。納米材料作為一種新型材料,廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)器材、體育館、運(yùn)動(dòng)服、運(yùn)動(dòng)草坪等領(lǐng)域,極大地促進(jìn)了運(yùn)動(dòng)競(jìng)賽水平的提高,為運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供了條件。通常,納米外墻涂料和納米內(nèi)墻涂料是體育場(chǎng)館墻使用最廣泛的納米涂料。對(duì)于納米跑道,主要是向傳統(tǒng)的塑料跑道材料中添加適量的納米粉,并采用相關(guān)方法生產(chǎn)納米聚氨酯,從而創(chuàng)造出一種性能明顯優(yōu)于普通塑料跑道的納米跑道。納米技術(shù)可以根據(jù)體育賽事的具體要求和運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作的特點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)裝備的質(zhì)感,從而可以提高裝備和設(shè)施的性能,更有利于運(yùn)動(dòng)員充分發(fā)揮良好的狀態(tài)。

納米材料已經(jīng)涉及運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的各個(gè)方面,為提高比賽水平和發(fā)展運(yùn)動(dòng)提供了機(jī)會(huì)。然而,不可低估納米材料所表現(xiàn)出的特殊生物效應(yīng)以及對(duì)生物體的潛在影響。這就要求納米技術(shù)研究人員和體育專業(yè)人士注意納米材料的積極作用,并加強(qiáng)對(duì)其生物安全性和環(huán)境影響的研究。通常,納米復(fù)合材料已成為運(yùn)動(dòng)器材應(yīng)用的首選。人們可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)的需求在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中融入更多創(chuàng)新,從而更好地滿足運(yùn)動(dòng)發(fā)展的需求。