冬奥会背后的神奇化学知识，你知道哪些？
2022年2月4日，大年初四，万众瞩目的第二十四届冬奥会在北京隆重开幕。
来自世界各地的运动健儿，将汇聚于五环之下，在冰天雪地间挥洒汗水，创造奇迹。
在欣赏冬奥会开幕盛典和运动员们精彩表现的同时，让我们也来一起领略本届冬奥会背后的化学高科技——
神奇的二氧化碳跨临界直接制冰
走进国家速滑馆“冰丝带”，映入眼帘的是一整块1.2万平方米的冰面，这是目前世界上采用二氧化碳跨临界直冷制冰技术打造的最大的多功能全冰面。
“二氧化碳跨临界直接制冰”？——听上去就感觉很高大上！那么，它到底是啥意思呢？
首先，我们要理解什么是临界点（Critical point）。以我们生活中常见的水为例，水在加热的时候会变成水蒸汽。根据热力学知识，这一过程经历了液态水--液态水气态水蒸气的混合物--气态水蒸气的变化，但是当水在温度373℃，压力22.064MPa加热的时候，液态水和气态水蒸气的物理性质没有明显的变化，只有一个相存在，水变得可压缩、可膨胀，并且更喜欢与非极性气体和有机分子混合，这个点就是水的临界点。以二氧化碳为例，它的临界温度为31.1摄氏度，而临界压力达到了7.38兆帕。在临界点以上的区称为超临界，以下的区是亚临界，而从亚临界到超临界就是跨临界。
常温常压下的二氧化碳是气态，施加一定压力后，可以液化成液体甚至凝华为固体（也就是我们说的干冰），压力降低后，液态或固态的二氧化碳又能快速汽化（或升华）为气体，并大量吸热，从而达到降低环境温度的目的。二氧化碳跨临界直冷制冰，就是将气态二氧化碳通过加温加压形成超临界二氧化碳流体，再对超临界二氧化碳进行降温降压达到-20°c至-15°c，再相变蒸发吸热完成制冷和制冰的过程。
以往使用的氟利昂等制冷剂，对于环境的破坏较为严重，而二氧化碳跨临界直冷制冰技术具有环保节能、来源广泛、安全无毒等优点，而且，用二氧化碳直冷系统制出的冰面质量更好，能精准控制冰温和软硬度。满足不同项目对冰面的要求，被誉为是“最快的冰”。
冬奥会服装中的“黑科技”
颁奖礼仪服，是奥运会场一道靓丽的风景线。和夏季奥运会不同，冬奥场馆温度最低至可达零下30多度，在如此冷的环境中，如何让颁奖礼仪服装既美观舒适，又能保暖呢？
本次冬奥会和冬残奥会颁奖礼仪服装共三套方案，分别为“瑞雪祥云”、“鸿运山水”和“唐花飞雪”，不仅外观典雅大方，而且衣服内胆里特意添加了一片片黑色的材料——这就是针对本届冬奥会研发的第二代石墨烯发热材料，石墨烯导热系数非常高，在通电情况下，碳分子团之间相互摩擦、碰撞而产生热能，热能又通过远红外线以平面方式均匀地辐射出来，可以能很好地被人体接受，产生一种由内而外的温暖。
此外，比赛服装中的科技含量更高：例如速滑竞赛服中，会在大腿的部位选择一种比普通纤维弹性强数十倍的橡胶材料，可以最大程度减少体力消耗；在右胯部的位置，则是会采用一种合成纤维，可有效减少摩擦力；而为了较少空气阻力，速滑竞赛服的手脚处使用了蜂窝样式的聚氨酯材料，这些材料的选择都是为了最大限度提高运动员成绩。
滑雪服则采用了剪切增稠流体（STF）材料，这是一种智能分子材料，常态下处于一种粘稠的半液体状态，一旦遇到高速的撞击，这些智能分子立刻相互连接形成防护层，使外来的冲击力分散到周围，不会集中于身体的某一点。用STF材料制成的滑雪服防护性很高，更重要的是对于运动员来说，它解决了空气阻力和衣服柔韧性的问题。
这些冬奥服装中的“黑科技”，为运动员取得好成绩，提供了重要保障。
冬奥火炬中的奥秘
作为历届奥运会中备受关注的元素之一，此次冬奥火炬“飞扬”一经亮相就吸睛无数。
火炬外壳不仅要耐火抗高温还要能在极寒天气中使用。如何承受这“冰与火”的双重考验？奥秘就在于其所使用的新型材料中。此次冬奥火炬“飞扬”将碳纤维与高性能树脂结合在一起做成碳纤维复合材料，质量只有钢的1/4左右，但是强度是钢的7~9倍。通过将碳纤维丝立体三维编织，最终像“织毛衣”一样织成了火炬外壳，看不出任何接缝与孔隙，整个造型浑然一体。
为实现耐高温，火炬上半段燃烧端在1000℃以上高温中进行陶瓷化，有效解决了在高温制备过程中火炬外壳起泡、开裂等难题，达到了既能够耐温又能够耐火的要求，实现了燃烧温度＞800℃氢气燃烧环境下正常使用。
而且碳纤维制造的火炬既分量轻又很牢固，摔不坏。同时，冬季火炬传递时，传统金属材料手感不好，碳纤维可以有效解决这个问题，避免了冰凉的触感。
另外，大家可能也注意到了，氢气的火焰原本在日光下是看不见的，那么为什么“飞扬”的火焰颜色如此夺目？这是因为攻关团队研发了一种可以调节氢气火焰颜色的配方，让它在日光下具有可见的火焰颜色。
实现碳中和，尽显高科技
本届冬奥会最大的特色之一就是“绿色环保”。作为我国提出“2030碳达峰、2060碳中和”目标后的首个世界级体育盛会，北京2022年冬奥会承诺碳排放将全部中和。这其中，从清洁能源到环保材料，化学高科技所起到的作用功不可没。
奥运会不仅是运动健儿的“竞技场”，也是前沿科技的“试验田”。从以上这些神奇的化学高科技中，我们也能够充分感受到祖国科技“更快更高更强”的发展。正如北京冬奥会的口号——
让我们一起向未来！
