伴随2022年北京冬奥会的热潮，冰雪运动也逐渐走进中国人的生活。在冰雪运动中，随处可见高分子的身影。我们从高分子化学与物理的视角出发，体验一场奇特的高分子冬奥盛会。
滑雪镜中的奥妙
滑雪，应该差不多是今年的冬奥会中关注度最高的项目之一了。对于滑雪运动员来说，滑雪镜是他们必不可少的装备之一。滑雪镜不仅可以对眼部起到保护作用，还可以提供防紫外线、防眩光、防止起雾等额外的功能，而这些功能的实现，都离不开现代高分子材料的帮助。
图a. 滑雪运动员和炫酷的滑雪镜(图源网络)
滑雪镜结构
滑雪镜主要包括镜架、镜片和泡沫海绵几个部分，不同的部分都有着不同的制造方式。相比与传统的金属材料(例如不锈钢)或者非金属材料(例如玻璃)，高分子材料有着质量更轻的特点，同时仍然有着很好的强度，因此现代滑雪镜中高分子材料的身影正越来越多的出现。
图b. 现代滑雪镜结构（图片来自www.jd.com）
滑雪镜中的高分子材料
1.镜架和泡沫海绵中的高分子材料
滑雪镜的镜架一般选用的是高硬度的热塑性聚氨酯材料(Thermoplastic polyurethanes, 一般缩写为TPU)，它是通过二异氰酸酯和二醇的聚合反应合成出来的，如下图c所示。由于分子链之前的氨基和羰基可以形成氢键，聚氨酯分子之间的相互作用力很强，不容易通过外力改变分子的排布状态，反应到宏观上就是材料的强度较高，很少发生不可逆的变形，因此选用聚氨酯做滑雪镜的镜架，可以为滑雪运动员提供更好的保护。
图c. 热塑性聚氨酯的合成和分子结构
选用不同分子结构的异氰酸酯和二醇，也可以合成出性质不同的聚氨酯材料。如今生活中，硬至人造皮革，软至手机外壳，都可以使用不同的聚氨酯来制造。顺带一提，为什么这种聚氨酯名字里面要加一句“热塑性”呢？因为这种聚氨酯的分子都是直线型的，加热到足够的温度之后就可以自由运动，宏观上表现为能够融化成液体，这样就可以趁热进行塑形，为了与另一类网状结构、加热不融化的聚氨酯区别而在名字里加上了“热塑性”三个字。
泡沫海绵中用到的就是另一类网状的聚氨酯。它的合成是把前面的方案中的二醇一部分换成三醇甚至四醇，这样所有的小分子最后都会被连接成一个大网一样的结构。为了保证舒适性，制造海绵的过程中还会加入一些发泡剂，就像发面时加点酵母一样，做出来的海绵就是多孔的，又软又弹，更贴合运动员脸部的同时，也能在必要时提供更好的缓冲。此外，多孔结构也有利于内外空气流通，对防止起雾也有一定的效果。
2.镜片中的高分子材料
为了化学给运动员提供足够的防护，滑雪镜的镜片也需要使用高强度的材料进行制备。易碎的玻璃肯定不合适，不透明的聚氨酯也不能用，最终得到广泛使用的是另一种叫做聚碳酸酯(Polycarbonate，简称PC)的高分子材料，其分子结构展示在下图d中。聚碳酸酯的透明很好，并且在透明材料中强度是最高的，因此被用作镜片的主要材料。不仅仅是滑雪镜的镜片，现代战斗机的座舱盖也可以使用聚碳酸酯，这足以证明这种材料的强度之高。
图d. 聚碳酸酯的合成和分子结构
除了聚碳酸酯之外，镜片一般还需要进行进一步的加工，以实现更好的性能。例如为了防止比赛过程中烦人的起雾影响视线，镜片内部会再涂一层醋酸纤维素涂层。纤维素我们都应该很熟悉了，它是自然界中植物纤维的主要成分，我们天天都会摄入。纤维素侧链上也有一大堆羟基可以形成氢键，导致它分子间相互作用超级强，基本溶解不了也融化不掉(不信可以自己试一试)。用醋酸反应掉纤维素中一部分羟基就得到了醋酸纤维素，由于羟基少了，它总算是能溶解能加工了，同时剩余的羟基可以与水有一定的相互作用，使得其表面上的水能够铺展开，而不会聚集成一滴一滴的小水珠，这就起到了防雾的效果。
图e. 纤维素和醋酸纤维素的分子结构
参考文献
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供稿人：曹木青 许华平教授课题组博士研究生
审稿人：许华平 清华大学化学系教授，主要研究方向为动态响应性含硒/碲高分子。中国化学会高级会员，中国化学会化学教育学科委员会副主任委员、中国化学会青年工作者委员会委员。
中国化学会
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原标题：《滑雪镜中的奥妙》