کاربرد فناوری نانو در صنعت ساخت محصولات ورزشی (نانو و ورزش)

کاربرد فناوری نانو در صنعت ساخت محصولات ورزشی

در ارزیابی و بهینه‌سازی فعالیت‌های ورزشی، اغلبِ مطالعات، بدن و تجهیزات را با یکدیگر به‌عنوان یک سیستم در نظر می‌گیرند. این مطلب به این دلیل است که بهینه‌سازی تجهیزات به‌طور عمده از طریق اصلاح طرح‌های مکانیکی انجام می‌شود، بنابراین ارزیابی تجهیزات، از طریق مقایسه‌های آماری از نحوه انجام طرح‌های مختلف مکانیکی توسط انسان انجام می‌شود. با این حال، شناخته شده است که هرگونه تغییر در محیط عملکرد باعث خواهد شد که فرد ورزشکار برخی از جنبه‌های حرکتی خود را با آن تطبیق دهد [1].

بنابراین محصولات ورزشی نقش اساسی در کارایی ورزشکاران دارند. با پیشرفت فناوری، شرکت‌های تولیدی دست به تولید محصولاتی زده‌اند که باعث پیشرفت ورزشکاران و راحتی بیشتر آن‌ها شده‌اند. از جمله این پیشرفت‌ها می‌توان به نوآوری در صنعت منسوجات اشاره کرد. در این میان فناوری‌های نوین ورزشی نیز در موفقیت و بهبود رکورد ورزشکاران تأثیر دارند. هرچند تأثیر این تکنولوژی‌ها هرگز به اندازه‌ای نیست که یک فرد عادی را به سطح ورزشکار حرفه‌ای برساند، اما در دنیای رقابت این مسئله می‌تواند به‌راحتی روی عملکرد ورزشکار تأثیرگذار باشد؛ بنابراین پیشرفت علم در ورزش نیز همانند سایر جنبه‌های زندگی تأثیرگذار بوده است [2].

یکی از فناوری‌های جدید در این زمینه فناوری نانو است که به دنبال روش‌های جدید و نوآورانه برای بهبود محصولات ورزشی موجود است. در حال حاضر، دانشمندان کاربردهای متعددی از فناوری نانو را برای بهبود تکنولوژی ورزشی فعلی به کار برده‌اند.

این پیشرفت‌ها از ایجاد چوب‌های گلف قوی‌تر و در عین حال سبک‌تر تا از بین بردن بوی نامطبوع از لباس ورزشکار پس از استفاده است [3].

جایگاه فناوری نانو در ورزش

اگر یک راکت تنیس قدیمی چوبی یا توپ فوتبال چرمی به دست گرفته باشید، متوجه شده‌اید که چقدر سنگین هستند یا اینکه چقدر این مواد خشن هستند و ورزشکارانی که از این وسایل استفاده می‌کنند، مدام زخمی هستند. تجهیزات ورزشی به طرز چشمگیری با پیشرفت فناوری ساخت آن‌ها تغییر کرده‌اند. چوب‌های گلف و دوچرخه‌های مسابقه‌ای سبک‌تر هستند، توپ‌های تنیس و توپ‌های فوتبال طول عمر بیشتری دارند و شناگران و اسکیت‌بازان می‌توانند به لطف مواد به‌کار رفته در لوازمشان سرعت بالاتری داشته باشند.

سطح رقابت در ورزش به طرز چشمگیری تحت تأثیر فناوری نانو در علم مواد قرار گرفته است. فناوری نانو، مزایا و قابلیت‌های بسیار بالایی را برای بهبود تجهیزات ورزشی فراهم می‌آورد که باعث می‌شود ورزشکاران ایمن‌تر، راحت‌تر و سریع‌تر از همیشه باشند. برخی از این مزایا در شکل 1 آورده شده است [4].

تغییرات کوچک می‌تواند تفاوت زیادی در عرصه ورزش ایجاد کند و بسیاری از تجهیزات ورزشی از چوب‌های بیس‌بال تا چوب‌های هاکی و از قایق‌های مسابقه تا تیرهای تیراندازی با کمان در حال حاضر از فناوری نانو استفاده می‌کنند. استفاده از هر کدام از نانومواد شامل نانولوله‌های کربنی (CNTs)، نانوذرات سیلیکا (SNPs)، نانورس‌ها و فولرین‌ها، می‌تواند مزیتی همچون استحکام بالا، سختی، دوام، کاهش وزن و اصطکاک و مقاومت در برابر سایش را فراهم کند.

مزایای فناوری نانو در تجهیزات ورزشی

 

نانولوله‌های کربنی رایج‌ترین نانومواد موجود در تجهیزات ورزشی هستند به‌طوری‌که ۱۴ درصد کل مصرف سالانه این ماده در تجهیزات ورزشی است. نانولوله‌های کربنی سفتی و استحکام بالایی دارند، ۱۰۰ برابر قوی‌تر و ۶ برابر سبک‌تر از فولاد هستند و به‌سختی الماسند. به همین دلیل نانولوله کربنی ماده‌ای ایده‌آل برای ساخت تجهیزات ورزشی با وزن کم و استحکام بالا مانند بدنه دوچرخه‌های فوق سبک و دسته چوب گلف است. از دیگر نانومواد کربنی فولرین‌ها هستند که با کاهش مرکز ثقل، باعث افزایش قدرت و دقت گلف باز می‌شوند. اکسید گرافن نیز از دیگر نانومواد کربنی است که در ورزش‌های آبی مانند قایقرانی موجب کاهش وزن، افزایش مقاومت بدنه و راحتی سر خوردن قایق در آب می‌شود.

مقایسه سفتی[1] و سختی نانولوله کربنی و مواد دیگر در شکل زیر آورده شده است.

مقایسه سفتی و سختی نانولوله کربنی و مواد دیگر

فناوری نانو در فوتبال نیز تأثیرگذار است. ایجاد یک لایه از نانورس در توپ‌های فوتبال و تنیس به‌عنوان مانع عمل کرده و از کاهش فشار درون توپ جلوگیری می‌کند و زمان استفاده از توپ را بالا می‌برد. ساق‌بندها نیز از پلاستیک نانو ساختار ساخته شده‌اند. این مواد سبک وزن هستند اما استحکام بالایی دارند که موجب می‌شود از لایه نازک‌تری به‌عنوان ساق‌بند استفاده کرد که هم به اندازه کافی قوی باشد و هم حفاظت کامل داشته باشد.

لباس‌های ورزشی به‌ویژه ست‌های فوتبال نیز از فناوری نانو بهره‌مند شده‌اند. جوراب‌های ورزشکاران محیط مناسبی برای تولید قارچ و باکتری هستند. نقره به‌طور طبیعی دارای ویژگی‌های ضدباکتری و ضدقارچ است، به همین دلیل جوراب‌های فوتبالیست‌ها می‌تواند با لایه‌ای از نانوذرات نقره پوشش داده شود تا از بوی بد ناشی از تولید باکتری و قارچ در جوراب جلوگیری شود. این نانوذرات به همراه الیاف کتان، نایلون و یا پلاستیک برای تولید لوازم ورزشی استفاده می‌شوند. با آنکه حجم این نانوذرات کم است ولی به دلیل مساحت سطحی بالا فعل‌وانفعال زیادی با قارچ‌ها و باکتری‌ها ایجاد می‌کند و مانع رشد و تولید مثل آن‌ها می‌شود که متعاقباً بوی بد از بین می‌رود. افزودن عناصر دیگر مانند تیتانیوم می‌تواند موجب افزودن خاصیت ضدعفونی‌کنندگی، ضدآب، ضدبو و ضدلکه در لباس و تجهیزات ورزشی شود.

———————————

[1] stiffness

 

در اوایل سال ۲۰۰۰، راجر فدرر؛ مرد نفر اول تنیس، شروع به استفاده از راکت‌های مجهز به فناوری نانو کرد که منجر به برد او در مسابقه ویمبلدون شد. بسیاری از راکت‌های تنیس که حاوی نانولوله‌های کربنی هستند با استفاده از نانوذرات سیلیکا نیز تقویت می‌شوند. این کار باعث می‌شود که راکت‌ها با ثبات‌تر و قوی‌تر باشند و ۲۲ درصد قدرت بیشتری را نسبت به راکت‌های معمولی ایجاد کنند. نانوذرات سیلیکا در اسکی نیز یافت می‌شوند که موجب افزایش انعطاف‌پذیری اسکی‌باز می‌شود و باعث می‌شود اسکی‌باز سواری راحت‌تری (موجب صیقلی شدن سطح چوب اسکی می‌شود) داشته باشد.

در مسابقات فرمول یک که برنده شدن به وزن ماشین، لاستیک‌ها و شرایط آب و هوایی بستگی دارد، نانوکامپوزیت‌ها نقش مهمی ایفا می‌کنند. این مواد با استفاده در بدنه ماشین موجب کاهش وزن و پوشش صوتی می‌شوند که برای سرعت ۳۰۰ مایل در ساعت ضروری است. همچنین ذرات هوشمند می‌توانند شکاف بین مولکول رنگ و فلز را پر کنند و به ماشین کمک کنند تا ۳۷ مایل بر ساعت سریع‌تر حرکت کند؛ اما این موارد تنها مزیت فناوری نانو در این ماشین‌ها نیست. استفاده از نانوالیاف در لنت ترمز و نانوذرات در روغن‌ها موجب کاهش سایش و فرسودگی قطعات موتور می‌شود [5].

نانومواد رایج مورداستفاده در لوازم ورزشی با خواص آن‌ها در جدول ۱ آمده است [6]:

جدول 1- نانومواد رایج مورداستفاده در لوازم ورزشی به همراه نوع عملکرد
عملکرد	انواع نانومواد
	نقره	ZnO	SiO2	TiO2	Al2O3	نانورس	CNT	کربن سیاه
مقاومت به سایش		*	*		*	*	*
حامل مواد فعال			*			*
ضدمیکروب	*	*		*
ضدالکتریسیته ساکن	*						*	*
مقاومت شیمیایی			*		*
ضدگردوخاک		*	*	*
هدایت الکتریکی	*						*	*
ضدشعله			*	*	*	*	*
فوتوکاتالیست		*		*
خودتمیزشونده	*	*	*	*
استحکام کششی							*
محافظ UV		*	*	*	*
ضدآب		*	*	*

 

2-فناوری نانو در کف‌پوش ورزشی

یکی از کاربردهای مهم فناوری نانو در صنایع نساجی، پوشش کف ورزشگاه‌ها است که بر عملکرد و ایمنی ورزشکاران تأثیر می‌گذارد و از سوی دیگر، دوام و پاکیزگی کف را بهبود می‌بخشد. استفاده از نانومواد در کف سالن‌های ورزشی موجب ایجاد خاصیت ضدآب و روغن و در نتیجه پاکیزگی آن‌ها شده است [7]. نانومواد مورداستفاده در مهندسی ورزش عبارتند از نانومواد کربنی و نانواکسیدهای فلزی مانند SiO₂ و Al₂O₃ [8].

نانوذرات کربنات کلسیم که در الیاف پلی‌یورتان پراکنده شده‌اند، افزایش طول و مقاومت حرارتی چمن‌های ورزشی را تشدید می‌کنند [9]. پیست‌های دو و میدانی که با نانوذرات تقویت شده‌اند دارای قابلیت انعطاف‌پذیری عالی، بازیابی فشردگی، الاستیسیته، سختی، دوام، ضداشتعال، ضدخش و ضدالکتریسیته ساکن هستند.

خصوصیات مکانیکی پیست‌های دو و میدانی تقویت شده با نانوفناوری بر اساس شواهد تجربی دو برابر بهتر از پلی‌یورتان طبیعی است [10].

3-فناوری نانو در لباس و کفش ورزشی

استفاده از فناوری نانو در مواد نساجی از جمله نانوالیاف، الیاف نانوکامپوزیت و پارچه‌های تولید شده با فناوری نانو، خواص متعددی برای تولید لباس‌های ورزشی فراهم می‌کند. بسیاری از شرکت‌های تولیدی از فناوری نانو برای توسعه طیف وسیعی از لباس‌های ورزشی استفاده کرده‌اند. یک شرکت سوئیسی به نام Schoeller تکنولوژی مبتنی بر نانو را برای تولید لباس‌هایی با خواص نفوذپذیری هوا، مقاومت در برابر باد و آب و خودتمیزشوندگی برای آب‌وهوای بسیار سرد مانند کوهنوردی و اسکی توسعه داده است. این لباس ورزشی از ویژگی ضدباران و برف نیز برخوردار است [11].

شرکت بریتانیایی JR Nanotech، جورابی با نام SoleFresh^TM را که با نانوذرات نقره فراوری شده است تولید نموده که بوی پای ورزشکار را از بین می‌برد [12]. الیاف نایلونی نانونقره با زمینه‌های کاربردی شامل فعالیت‌های روزانه و ورزشی، لباس‌های ورزشی، کیف‌های ورزشی و کفش‌های دو توسط شرکت کره‌ای Hyosung تولید شده است [13]. فناوری نانو، همچنین پیشرفت خوبی در خواص ضدلغزش کف کفش با استفاده از نانوکامپوزیت‌های لاستیکی ارائه کرده است [14].

به‌طور کلی خواصی که فناوری نانو در کفش و لباس ورزشی ایجاد می‌کند، در شکل زیر آورده شده است.

خواص ایجاد شده در  کفش و لباس ورزشی با استفاده از فناوری نانو

 

برخی از مهم‌ترین ویژگی‌های لباس و کفش ورزشی تولید شده با فناوری نانو شامل ضدآب، ضدباکتری، محافظ UV، خودتمیزشونده، محافظ گرما و سرما، راحتی و بهبود گردش خون و بازیابی عضلات در ادامه به‌طور کامل موردبحث قرار می‌گیرند:

• ضدآب

پیشرفت فناوری در لباس‌های ورزشی با استفاده از پارچه‌های ضدآب قابل‌تنفس که برای حفاظت از باد، باران و از دست دادن حرارت بدن نیز مناسب هستند، صورت پذیرفته است.

پارچه‌های ضدآب از نفوذ آب به الیاف جلوگیری می‌کنند و قابل‌تنفس هستند، یعنی بخارهای آب از طریق الیاف قابل‌انتقال هستند. انواع مختلفی از پارچه‌های قابل‌تنفس وجود دارد که به پارچه‌های بافته شده، غشای میکرومتخلخل، پوشش و پارچه‌های قابل‌تنفس هوشمند طبقه‌بندی شده‌اند.

اگرچه اولین پارچه قابل‌تنفس مقاوم در برابر آب با پارچه بافته شده متراکم یا پوشش پلیمری و رزین آماده شده است، فناوری نانو فرصت‌های جدیدی برای تولید پارچه‌های قابل‌تنفس ضدآب ارائه کرده است. برای مثال پارچه پلی‌استر ضدآب با پوشش نانوسیلیکاتی ساخته شده است که پس از گذشت ۲ ماه غوطه‌وری درون آب، خشکی خود را حفظ کرده است، از این رو برای لباس شنا بسیار مناسب است [8].

در دیگر موارد بهبود خواص لباس ورزشی، کفش‌های ضدباکتری و ضدآب “LSMZ^TM” با استفاده از نانوغشای نانوکامپوزیت‌های TiO₂ و ZnO در فلوئورات‌ها و زیرلایه پورفلوروآلکیل با اثر لوتوس (ابر آب‌گریز) تولید شده است به‌طوری‌که این کفش‌ها قابلیت نفوذ تک جهته آب را دارند [8].

الکتروریسی قابلیت تولید شبکه غشا مانند بسیار نازک با الیاف فوق‌العاده ریز را دارد که مساحت سطح مشخصه بالا، انعطاف‌پذیری، وزن سبک و ساختار متخلخلی فراهم می‌کند که باعث ایجاد ممانعت از نفوذ آب و کارایی تحت عنوان راحتی (انتقال عرق از بدن ورزشکار به محیط بیرون) در تولید لباس‌های ضدآب قابل‌تنفس می‌شود.

پارچه‌های لایه‌ای مبتنی بر شبکه‌های نانوالیاف الکتروریسی شده با ساختارهای مختلف کامپوزیتی، زیرلایه‌های متنوع و مقادیر مختلف چگالی شبکه نانوالیاف، برای لباسِ ورزش‌هایی که در فضای باز انجام می‌شوند، تهیه شده‌اند که برای کاربر خواصی مانند مقاومت بالا در برابر نفوذ آب و نفوذپذیری بالای بخار آب‌وهوا را فراهم می‌کند. به علاوه راحتی حرارتی پارچه‌های لایه‌ای ضدآب قابل‌تنفس با ایجاد لایه‌ای از آلومینیوم بر روی شبکه‌های نانوالیاف بهبود می‌یابد.

در لباس‌های شنای Speedo’s LZR Racer که در المپیک ۲۰۰۸ پکن توسط ورزشکاران استفاده می‌شد و بیش از ۹۰ درصد دریافت‌کنندگان مدال‌های طلا از این لباس استفاده می‌کردند، از نانوذراتی استفاده شده بود که نه‌تنها سبب ایجاد خاصیت ضدآب در لباس‌های شنا می‌شد، بلکه به دلیل خواص ساختاری منحصربه‌فرد پلی‌اورتان خاصیت شناوری لباس افزایش و کشیدگی لباس شنا کاهش می‌یافت [2].

 

• ضدباکتری

با توجه به اهمیت بالای بهداشت عمومی، تقاضا برای مواد ضدباکتری در بسیاری از حوزه‌های کاربردی از جمله ورزش وجود دارد. عرق کردن در فعالیت‌های ورزشی، محیط مناسبی را برای رشد باکتری‌ها و تولید بوی بد فراهم می‌کند. استافیلوکوکوس اورئوس یک باکتری رایج است که باعث بیماری‌های عفونی می‌شود؛ بنابراین لباس ورزشی ضدباکتری می‌تواند با جلوگیری از آسیب و پوسیدگی الیاف از ورزشکاران در مقابل میکروارگانیسم‌ها و بوی‌های ناخوشایند محافظت کند. پارچه‌های ساخته شده از الیاف کیتوسان با کنترل رطوبت، در لباس‌ها و جوراب‌های ورزشی خواص ضدباکتری و قارچ‌کش ایجاد می‌کند.

به‌طور کلی، اثر ضدمیکروبی از طریق استفاده از نانومواد در مرحله تکمیل یا از طریق ترکیب نانوذرات در الیاف در طی فرایند ریسندگی به دست می‌آید. گرچه فلزات آلی، ترکیبات آمونیوم و سیلیکون‌های آلی نیز برای ایجاد خواص ضدباکتری مواد نساجی مورداستفاده قرار می‌گیرند، لباس‌های ضدباکتریایی ورزشی، کفش‌های ورزشی و کف‌پوش‌ها به‌طور گسترده با استفاده از نانوذرات نقره تهیه می‌شوند. علاوه بر این، گزارش‌هایی در مورداستفاده از نانوذرات اکسیدروی نیز برای لباس ورزشی ضدباکتری وجود دارد [15].

کارایی ضدباکتری نانوذرات نقره به علت یون‌های فلزی و اندازه ذرات کوچک آن‌ها و سطح مشخصه بالای آن‌ها است. آسیب به چربی‌ها، پروتئین‌ها و DNA میکروارگانیسم‌ها، مکانیسم‌های اصلی ضدباکتری نقره هستند.

بر اساس تحقیقات انجام شده در موسسه Hohenstein آلمان، اقدام سریع در برابر باکتری‌ها و اثربخشی دائمی در حین ورزش برای لباس‌های ورزشی ضدباکتری ضروری است. همچنین ممانعت از واکنش‌های پوستی (حساسیت، تحریک) و یا تأثیر منفی بر میکروفلور پوست نیز باید درنظر گرفته شود. برای جلوگیری از این موارد عامل مهمی که باید درنظر گرفته شود غلظت نقره است که باید در کمترین میزان ممکن استفاده شود [16]. در شکل ۶ شماتیک مکانیسم ضدباکتری نانوذرات نقره نمایش داده شده است.

 

نانوذرات نقره با خاصیت ضدباکتری به‌عنوان محافظ سلامت پای ورزشکاران

 

• محافظ UV

استفاده از نانوذرات با خواص حفاظتی اشعه UV در لباس ورزشی به علت خطر بالای آسیب پوستی به اشعه ماوراءبنفش به‌ویژه در ورزش‌هایی که در فضای باز انجام می‌شود، توسعه داده شده است. از مواد آلی و معدنی محافظ UV، نیمه‌هادی‌ها مانند TiO₂، ZnO، SiO₂ و Al₂O₃ به دلیل پایداری شیمیایی، هزینه کم، در دسترس بودن و غیرسمی بودن، کاربردی هستند و توجه بیشتری را به خود جلب کرده‌اند. حفاظت در برابر UV بیشتر به پتانسیل جذب اشعه ماوراءبنفش به‌جای بازتاب و یا پراکندگی مربوط است. توزیع یکنواخت نانوذرات بر روی سطح پارچه موجب می‌شود ممانعت از نفوذ اشعه UV به حداکثر میزان خود برسد [17]. در تحقیقی در این زمینه سیستم‌های لایه‌ای با یک لایه بسیار نازک از الیاف نانوکامپوزیت پلی‌اورتان و اکسیدروی به‌عنوان محافظ UV با خواص ضدمیکروبی تولید شده‌اند که در لباس ورزشکارانی که در فضای باز ورزش می‌کنند، استفاده می‌شود [15].

 

• خودتمیزشونده

یکی از کاربردهای موفقیت‌آمیز فناوری نانو در صنعت نساجی، تولید لباس ورزشی و چادرهای کوهنوردی با خاصیت خودتمیزشوندگی است. جدای از مهندسی سطح ابر آب‌گریز با استفاده از اثر لوتوس، نانوذرات فوتوکاتالیستی مانند TiO₂ و ZnO برای تولید سطوح آب‌دوست با فعالیت خودتمیزکنندگی استفاده شده‌اند و پارچه‌های خودتمیزکننده فوتوکاتالیستی می‌توانند برای لباس ورزشی استفاده شوند. فعالیت فوتوکاتالیستی نانوذرات نیمه‌هادی به علت تهییج نوری تحت نور تابیده شده با انرژی بیشتر یا برابر با گاف انرژی آن است که از طریق آن جفت الکترون-حفره بین نوار رسانش و باند هدایت تولید می‌شود. الکترون‌های تهییج شده در اثر تابش می‌توانند به اکسیژن منتقل شوند و رادیکال‌های سوپر اکسید، هیدروپروکسی و هیدروکسیل را ایجاد کنند. حفره‌ها و یا رادیکال‌های هیدروکسیل تولید شده همچنین نقش اکسیدکننده در لکه‌های مخرب را دارند که دارای خواص خودتمیزکنندگی و ضدلک هستند. شرکت سوئدیSchoeller Textile AG  برای تولید پارچه‌های خودتمیزشونده برای فعالیت‌های ورزشی و چادر کوهنوردی از فناوری تحت عنوان NanosphereTM استفاده می‌کند [18].

در سطوح معمولی، آب، روغن و خاک، توسط پارچه جذب می‌شوند، زیرا سطح تماس بزرگ‌تر اجازه می‌دهد تا چسبندگی بالاتری وجود داشته باشد. در سطح nanosphere، نانوذرات ساختار ریزی را تشکیل می‌دهند که آب، خاک و روغن تنها در قله نانوساختارها باقی می‌مانند و سطح تماس کمتری دارند. در این صورت چسبندگی به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌یابد و قطره‌ها به‌راحتی از بین می‌روند و یا می‌توانند با آب شسته شوند. شکل ۷ مقایسه سطح اصلاح شده با اثر لوتوس و سطح معمولی را نشان می‌دهد [18].

شکل ۷- مکانیزم خودتمیزشوندگی با استفاده از اثر لوتوس (سمت راست سطح اصلاح شده با اثر لوتوس را نشان می‌دهد)

 

• محافظ گرما و سرما

با توجه به رابطه بین حرارت بدن انسان، شرایط محیطی و فعالیت بدنی، لباس ورزشی با خاصیت عایق گرما و سرما مخصوصاً برای اسکی، اسنوبورد، غواصی، کوهنوردی و دوچرخه‌سواری موردنیاز است. به‌تازگی، ترکیب مواد تغییر فاز دهنده با منسوجات برای ساخت پارچه‌های هوشمند با قابلیت تنظیم دمایی موردتوجه زیادی قرار گرفته است. مواد تغییر فاز دهنده به‌طور کلی به مواد آلی شامل پارافین مانند هیدروکربن‌های آلکیل و غیرپارافین مانند اسیدهای چرب، الکل‌ها و اسیدهای گلیکولیک و مواد معدنی شامل نمک‌های غیرآلی هیدراته دسته‌بندی می‌شوند [19].

مواد تغییر فاز دهنده به درون میکروکپسول‌ها یا نانوکپسول‌ها قرار می‌گیرند تا واکنش‌پذیری آن‌ها نسبت به محیط خارجی کاهش یافته و تغییرات حجم این مواد در طول دوره تغییر فاز کنترل شود. نانوکپسول‌های حاوی این مواد به دلیل اندازه ذرات کوچک‌تر و سرعت انتقال حرارت بیشتر، از میکروکپسول‌ها کاربردی‌تر هستند. ملامین فرمالدئید، اوره فرمالدئید، سیلیکون دی اسید، پلی‌استایرن و پلی‌متاکریلات، برخی از موادی هستند که به‌عنوان پوسته برای مواد تغییر فاز دهنده استفاده می‌شوند. نانوکپسول‌های حاوی مواد تغییر فاز دهنده را می‌توان با استفاده از یک اتصال‌دهنده مانند پلی‌اورتان به مرحله نخ‌ریسی اضافه کرد و یا روی مواد نساجی در طی اتمام فرایند پوشش داد.

نانوالیاف حاوی مواد تغییر فاز دهنده که توسط الکتروریسی کامپوزیتی و الکتروریسی چندمحوره تولید می‌شوند، یکی دیگر از روش‌های استفاده از مواد تغییر فاز دهنده در منسوجات هستند. مواد تغییر فاز دهنده که در لباس‌های ورزشی استفاده می‌شوند، می‌توانند حرارت بیش از حد بدن را در حین فعالیت ورزشی جذب کنند و در صورت لزوم انرژی را آزاد کنند که موجب کاهش فشار حرارتی می‌شود. مواد تغییر فاز دهنده با محدوده خاصی از دما (کمتر یا بیشتر از دمای بدن) نامزد خوبی برای استفاده در محصولات ورزشی هستند. این مواد در لباس ورزشی، بلافاصله پس از افزایش دما، حرارت را جذب می‌کنند و زمانی که دما افت می‌کند انرژی را آزاد می‌کنند. عایق حرارتی موردنیاز لباس و میزان استفاده از مواد تغییر فاز دهنده کاربردی بستگی به نوع و مدت فعالیت بدنی دارد [20].

• راحتی

خاصیت انتقال رطوبت که تحت تأثیر موئینگی و نرخ تبخیر است، یک جنبه مهم از لباس ورزشی است که بر سطح راحتی ورزشکار تأثیر می‌گذارد. جذب رطوبت سریع از طریق پارچه، باعث افزایش تبخیر به علت سطح بالای آن می‌شود و باعث می‌شود بدن ورزشکار خشک و راحت باشد. پارچه‌های با خاصیت انتقال رطوبت، رطوبت و عرق را از سطح پوست به سطح پارچه منتقل کرده و در فضا آزاد می‌کنند و مانع از چسبیدن پارچه پلی‌استر به بدن می‌شوند [21].

بهبود رطوبت با استفاده از تکنولوژی پلاسما به‌عنوان یک فرایند سازگار با محیط‌زیست نیز گزارش شده است. با استفاده از این تکنولوژی لباس‌های ورزشی با خاصیت آب‌دوستی در لایه درونی و آب‌گریزی در لایه بیرونی تولید شده است تا به‌صورت هوشمند عرق را از بدن انسان بلافاصله خارج کند. به دلیل معایب این روش در حالت معمول در تولید لباس ورزشی به‌تازگی پلاسمای غیرحرارتی در فشار اتمسفر به همراه پلیمریزاسیون توسعه داده شده است که عملکرد بالایی در کنترل رطوبت و بو در فعالیت‌های ورزشی دارد [22].

 

• بهبود گردش خون و بازیابی عضلات

فعالیت‌های جسمانی به‌ویژه ورزش‌های سنگین مانند بدن‌سازی، کشتی و وزنه‌برداری ممکن است سبب خستگی، آسیب‌دیدگی ماهیچه‌ها شود که می‌تواند با استفاده از لباس ورزشی با اثرات درمانی بهبود یابد. امواج مادون‌قرمز توان بالایی برای نفوذ به مواد بیولوژیکی دارند و اثرات مثبت آن‌ها بر افزایش گردش خون و متابولیسم، توسط محققان ثابت شده است [23]. استفاده از موادی مانند ژرمانیم و پودرهای سرامیکی مانند آلومینا، دی‌اکسید تیتانیوم و دی‌اکسید سیلیکون به‌عنوان نانوساختار با اثرات تابش مادون‌قرمز در منسوجات ورزشی که تماس نزدیک با پوست دارند، می‌تواند زمینه‌های کاربردی فراوانی شامل زانویی، آرنج‌بند و کمربند طبی داشته باشد. موادی که پرتوی مادون‌قرمز منتشر می‌کنند، نور خورشید و یا گرما را از بدن انسان جذب می‌کنند و انرژی را به اشعه مادون‌قرمز در یک طیف مشخصی از طول‌موج حدود ۶ تا ۱۴ میلی‌متر تبدیل می‌کنند و انرژی را به بدن انسان منتقل می‌کنند و موجب افزایش گردش خون و متابولیسم و همچنین بهبود عضلات خسته می‌شوند. به‌تازگی، غشاهای نانوالیاف PVA حاوی ژرمانیوم و SiO₂ با اثرات ضدباکتری و درمان سریع برای فعالیت‌های ورزشی مانند پشتیبان‌های پزشکی پوشیدنی در فعالیت‌های بدنی معرفی شده‌اند [24].

نانومواد معمول مورداستفاده در نساجی به همراه خواص اصلی آن‌ها در جدول ۲ آورده شده است [7]:

جدول ۲- نانومواد معمول مورداستفاده در نساجی به همراه خواص اصلی آن‌ها
نانومواد	خواص
نانومواد اکسید فلزی مانند: TiO2, ZnO, CuO, CuO2, Fe3O4, Fe2O3, Al2O3, ZrO2, Mn3O4, MnO2, MgO, Go	فوتوکاتالیست، خودتمیزشونده، ضدباکتری، محافظ UV، خواص آب‌دوستی و آب‌گریزی
نانوذرات فلزی مانند: Ag, Au, Pd, Pt, Cu, Ni	ضدباکتری، ضدقارچ، هدایت
نانوذرات کربن بلک	مقاومت سایشی و شیمیایی، هدایت الکتریکی
نانولوله‌های کربنی	هدایت الکتریکی و گرمایی
نانوذرات خاک رس	مقاومت به شعله و محافظ UV

 

4-فناوری نانو در تجهیزات ورزشی

تمام وسایلی که با فناوری نانو تولید شده‌اند با هدف بهبود عملکرد ورزشکاران و جلوگیری از آسیب‌های احتمالی آن‌ها بوده است. فناوری نانو به تجهیزات استحکام بالا را در حالی می‌بخشد که وزن آن را نیز کاهش می‌دهد. همین امر سبب شده است که در بسیاری از تجهیزات از سوی شرکت‌های معتبر مورداستفاده قرار بگیرد. بیشترین استفاده از این فناوری در حوزه‌هایی مانند توپ‌های ورزشی، راکت‌های ورزشی، تجهیزات کوهنوردی و قایقرانی، دوچرخه و خودروی ورزشی بوده است. برخی وسایل ورزشی که در آن‌ها از فناوری نانو بهره گرفته شده است به بهبود عملکرد تجهیزات کمک شایانی می‌کنند. در ادامه به بررسی تجهیزات موجود در این حوزه پرداخته می‌شود [25].

• چوب و توپ گلف

شرکت مارومان واقع در توکیو، از فولرین‌های شرکت مواد شیمیایی هانجو برای ساخت انتهای چوب گلف استفاده کرده است. مواد جدید فولرین تیتانیوم در ساخت انتهای چوب گلف به کار رفته است. چوب جدید در مقایسه با تیتانیوم معمولی به میزان ۱ درصد بیشتر در مقابل خمیدگی مقاومت می‌کند. سختی آن ۳۶ درصد بهتر است و سر آن به میزان ۲۰ درصد الاستیسیته بیشتری از خود نشان می‌دهد و مسافت پرواز توپ به میزان حدود ۵/۱۳ متر افزایش یافته است.

شرکت نانو دینامیک واقع در نیویورک محصول مکمل خوبی برای این چوب تولید کرده است. این شرکت توپ گلفی را که می‌تواند مسیر پرواز خود را اصلاح نماید، معرفی کرده است؛ بدین معنا که نسبت به توپ‌های معمولی می‌تواند مستقیم‌تر حرکت کند. این توپ در هوا تغییر جهت ۴۵ درجه‌ای نمی‌دهد، طراحی توپ و نانومواد مجهول به کار رفته در آن، انرژی دریافتی از سرچوب گلف را بهتر جهت‌دهی کرده و بنابراین از تلوتلو خوردن و انحراف توپ جلوگیری می‌کند. این دو محصول در رده‌بندی ۱۰ محصول برتر فناوری نانو جهان در سال ۲۰۰۴ میلادی جای داشته‌اند [26].

 

چوب و توپ گلف اصلاح شده با فناوری نانو

• دوچرخه

تور سال ۲۰۰۵ فرانسه شاهد دوچرخه‌سوارانی از تیم فوناک بود که از دوچرخه‌هایی با بدنه حاوی نانولوله‌های کربنی استفاده می‌کردند. کارخانه سوئیسی BMC تولیدکننده این دوچرخه‌ها ادعا می‌کند، این محصول با نام پرو ماشین کمتر از یک کیلوگرم وزن داشته و از استحکام و سختی عالی برخوردار است (شکل 9).

برای ساخت این رزین بهبودیافته، الیاف کربنی را در ماده رزینی که به‌وسیله نانولوله‌های کربنی تقویت شده است، وارد می‌کنند. این کار استحکام و سختی را در فضاهای مابین الیاف کربنی افزایش می‌دهد. سطح نانولوله‌ها به نحوی تغییر داده شده است که پخش آن‌ها در مواد دیگر ساده‌تر صورت گیرد. این دوچرخه تنها یک بخش آلیاژی دارد که زه قلاب پایینی است. ساختار این بدنه به‌وسیله قالب‌گیری تولید می‌شود که پس از تولید نیاز به ماشین‌کاری ندارد، این امر از آسیب دیدن الیاف کربنی جلوگیری می‌کند [27].

نمونه دوچرخه ساخته شده با به‌کارگیری فناوری نانو

 

 

• راکت و توپ تنیس

شرکت بابولات یک خط تولید از راکت‌های تنیس ساخته شده با فناوری نانو ایجاد نموده است. این شرکت با استفاده از فناوری نانو، توانسته مقاومت راکت‌ها را افزایش دهد. شرکت بابولات فرانسوی با اعمال نفوذ کربن در ابعاد نانو و به‌کارگیری نانولوله‌های کربنی این راکت‌ها را به تولید رسانده است. این راکت‌ها را معمولاً با الیافی مشتق شده از گرافیت و کربن تولید می‌کنند.

این شرکت ترکیبی از نانولوله‌های کربنی با الیاف کربن منظم به‌منظور تولید راکت‌های مستحکم تولید کرده است. این ترکیب پنج بار مستحکم‌تر و منظم‌تر از کربن در حالت عادی است. در حالی که خم شدن قاب در زمان ضربه، باعث کند شدن سرعت توپ در راکت‌های معمولی می‌شود، این راکت‌ها به خاطر وجود زه مقاوم، عکس‌العمل خوبی در زمان ضربه از خود نشان می‌دهند. به دلیل وجود تثبیت‌کننده‌هایی در دو طرف مرکز این راکت‌ها، مقاومت در برابر تنش افزایش پیدا کرده است. مقاومت در برابر تنش در این راکت‌ها ۵۰ درصد بیش از راکت‌هایی با کربن استاندارد است. این مدل دارای تثبیت‌کننده دیگری نیز هست که تنش را از بالای دسته به وسط قاب در هر طرف از راکت انتقال می‌دهد که باعث کاهش خمش عمودی و چرخش قاب راکت در زمان ضربه زدن به توپ می‌شود [26].

مکمل راکت تنیس، توپ آن است. شرکت ویلسون توپی تولید کرده که دارای دو هسته است. پوشش‌های ما بین آن از هوا مستحکم شده و این روش مانعی برای حفظ فشار است. لایه‌هایی از خاک رس به همراه یک پلیمر مایع به توپ اضافه می‌شود که خطوط داخل توپ را ایجاد می‌کند، صفحات خاک رس با یکدیگر در روش موازی هم‌پوشانی می‌شوند. از آنجا که چندین لایه روی هم قرار می‌گیرند، هر یک از صفحات باید هوا را از طریق لایه‌های دیگر به داخل کیسه وارد کنند، بنابراین هوا بهتر در داخل توپ باقی می‌ماند. پوشش نانو در دومین هسته داخل توپ تنیس است که از طریق اسپری و یا غلتاندن آن بر روی لاستیک به وجود می‌آید. پوسته روی هسته دوم از صفحات روی هم قرار گرفته‌ای از خاک رس تولید شده است. این صفحات حدود یک نانومتر ضخامت دارند. از مزایای این توپ‌ها نسبت به توپ‌های معمولی این است که دیرتر پرزدار می‌شوند. بیشترین زمان برای استفاده از توپ‌های معمولی یک و نیم جلسه است این در حالی است که بیشترین زمان توپ‌های دو هسته‌ای ویلسون 3 جلسه است. همچنین این توپ‌ها دارای ملاحظات زیست‌محیطی نیز هستند [26].

 

راکت تنیس ساخته شده با فناوری نانو

 

 

• واکس اسکی

کراکس نانو واکس یکی از اولین محصولات جهانی است که با استفاده از فناوری نانو شیمیایی، پوشش هوشمندی با خواص چند عملکردی ایجاد می‌نماید. این واکس به‌وسیله شرکت آلمانی نانوگیت تولید شده است که سطح بسیار لغزنده و سختی را ایجاد می‌نماید. این پوشش هوشمند با کاهش دما بسیار مستحکم می‌شود و با کریستال‌های برف و پوست، سازگاری بسیار خوبی دارد. محصولات نانو واکس با فرمول‌های مختلفی برای انواع ورزش‌های زمستانی که در شرایط مختلف انجام می‌شوند، تولید شده‌اند [26].

این محصول نیز در رده‌بندی ۱۰ محصول برتر فناوری نانو در سال ۲۰۰۴ قرار داشت.

 

• خودرو

یک شرکت روسی خودرویی (شکل ۱۱) را با استفاده از نانومواد تولید و پرده‌برداری کرد. این خودرو با نام ماروسیا، دارای قدرتی معادل ۲۴۰ اسب بخار است که باعث تحسین و تردید همگان شد زیرا تولیدکنندگان این خودروی ورزشی برای غلبه بر دیگر رقبای خود، سرمایه‌گذاری عظیمی در زمینه تولید بدنه‌ای تمام غیرفلزی انجام داده‌اند که این بدنه باعث سبک‌تر شدن این خودرو شده است [25].

خودروی ورزشی روسی ساخته شده با فناوری نانو

 

• قایق‌های ورزشی

رشته قایقرانی نوعی از ورزش‌های آبی است که در آن از چندین نوع قایق در سبک‌های مختلف استفاده می‌شود ولی یک نکته مشترک در تمامی آن‌ها خیس نشدن ورزشکاران و ضدآب بودن تجهیزات آن‌ها است، زیرا در صورت خیس شدن وزن آن‌ها و تجهیزاتشان زیاد شده و از لحاظ روانی نیز برای آن‌ها خوشایند نخواهد بود زیرا در این حالت نمی‌توانند مهارت خود را نشان دهند. با استفاده از نانوپوشش‌ها این تجهیزات آب‌گریز شده و قطرات آب به داخل آن‌ها نفوذ نمی‌کند. تجهیزات کوهنوردی نیز همانند قایقرانی نیاز دارند که در حین استحکام بالا، ضدآب باشند [25].

• نیزه پرش

یکی از رشته‌هایی که استفاده از نانومواد به‌خصوص نانولوله‌های کربنی در آن احساس می‌شود پرش با نیزه است. مهم‌ترین پارامتر در نیزه پرش انعطاف مناسب آن است. نیزه پرش به‌طور معمول از الیاف شیشه ساخته می‌شوند و در بین ورزشکاران این نوع نیزه‌ها از محبوبیت خاصی برخوردار است. نیزه‌های فایبرگلاس از پارچه بافته شده فایبرگلاس که با رزین اپوکسی اشباع شده است ساخته شده‌اند. در چند سال اخیر نیزه‌هایی با الیاف کربن ساخته شده‌اند ولی به علت محبوبیت نیزه‌های با فیبر شیشه زیاد استفاده نمی‌شود. الیاف کربن و شیشه دانسیته مشابهی دارند اما شیب منحنی تنش – کرنش الیاف کربن بیشتر است؛ بنابراین در یک نیزه با مقاومت مشابه الیاف کربن کمتری موردنیاز است. نتایج نشان می‌دهد که الیاف کربن بهتر از الیاف شیشه هستند. این داده‌ها در مورد نانولوله‌های کربنی در دست نیست و نیزه پرشی با استفاده از آن‌ها طراحی و آزمایش نشده است و این نیاز دیده می‌شود که امر در نیزه‌های پرش موردبررسی قرار گیرد [25].

در جدول ۳ بعضی از مزیت‌های استفاده از فناوری نانو در ورزش ذکر شده است [2]:

جدول ۳-مزیت‌های استفاده از فناوری نانو در ورزش

 

تعدادی از لوازم ورزشی تولید شده با استفاده از فناوری در شرکت‌های مختلف در جدول ۴ آورده شده است [28]:

جدول ۴- برخی محصولات ورزشی تولید شده با استفاده از فناوری نانو
شرکت	محصول	مزایا
InMat	لایه مانع نانوکامپوزیت	جلوگیری از خروج گاز از توپ تنیس و…
Wilson	راکت تنیس حاوی نانوذرات اکسید سیلیسیم	افزایش استحکام، دوام و قدرت
Re-Turn AS	پوشش اپوکسی حاوی نانولوله کربنی بدنه کایاک	افزایش مقاومت به سایش
Yonex	رزین حاوی فولرین برای ساخت راکت بدمینتون	افزایش دوام و قدرت
Maruman	دسته چوب گلف ساخته شده از کامپوزیت حاوی فولرین	افزایش استحکام، دوام و قدرت
Eston Cycling	قطعات دوچرخه با استفاده از نانولوله کربنی	افزایش سفتی بدون افزایش وزن
Holmenkol	واکس اسکی با نانوکامپوزیت	افزایش صیقلی و حداکثر سرعت
St Croix Rods	چوب ماهیگیری با رزین اپوکسی و نانوذرات سیلیکا	افزایش استحکام بدون افزایش وزن

 

 

خلاصه

بسیاری از ورزشکاران ایرانی توانایی خوبی در رشته‌های ورزشی مخصوص به خود دارند که این امر در مسابقات آسیایی و حتی جهانی و المپیک در بسیاری از رشته‌ها مانند کشتی، والیبال، ورزش‌های رزمی شامل کاراته، تکواندو، جودو و… به اثبات رسیده است. رقابت در بین ورزشکاران در سطح جهانی در سطح صدم ثانیه اتفاق می‌افتد. موفقیت ورزشکاران در مسابقات تنها با تمرینات سخت ورزشی حاصل نمی‌شود بلکه وجود تجهیزات ورزشی پیشرفته کمک شایانی به برد ورزشکار می‌کند. برای بهبود تجهیزات ورزشکاران در تمام رشته‌های ورزشی می‌توان از فناوری نانو استفاده کرد. این فناوری علاوه بر بهبود ویژگی‌های لباس و کفش ورزشکاران در ارتقای کیفی وسایل ورزشی نیز تأثیر شگفتی دارد. امید است با توسعه سیاست‌های وزارت ورزش و جوانان در حوزه فناوری نانو و سرمایه‌گذاری و ارائه تسهیلات به شرکت‌های صنعتی در این حوزه شاهد موفقیت روزافزون ورزشکاران ایرانی در سطوح بین‌المللی باشیم.

 

مراجع:

• B. Shan, Sport Equipment Evaluation and Optimization – A Review of the Relationship between Sport Science Research and Engineering, The Open Sports Sciences Journal, 2008, 1, 5-11.
• http://nanotexnet.ir/4269/2017/12/02/%D9%85%D9%86%D8%B3%D9%88%D8%AC%D8%A7%D8%AA-%D9%88%D8%B1%D8%B2%D8%B4%DB%8C/
• Nanotechnology in Sports, EE453 Project Report submitted by, Devin Taylor, RDWreckingCrew@yahoo.com, Fall 2008
• https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=30661.php
• https://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=4859
• https://www.nanalyze.com/2018/02/7-startups-nano-clothing-technologies/
• Tina Harifi and Majid Montazer, Application of nanotechnology in sports clothing and flooring for enhanced sport activities, performance, efficiency and comfort: a review, Journal of Industrial Textiles, 2015
• Chunyan L, Xingliang L, Sijin M, et al. Study on application and biosafety of nanomaterials in sports engineering. In: International conference on future computer science and education, Xian, China, 20–21 Aug 2011, pp.131–134.
• Song ZQ and Cai YT. Application of nano-materials in sports engineering. Adv Mater Res 2012; 602–604: 281–284.
• Bao-feng L. Design of sports field based on nanometer materials. Appl Mech Mater 2013; 340: 366–369.
• https://www.mountain-equipment.co.uk/scholler
• http://www.nanotechproject.org/cpi/products/solefreshtm-socks
• http://product.statnano.com/company/hyosung
• Baydal-Bertome JM, Puigcerver SA, Gonzalez JC, et al. Nanotechnology can provide a real breakthrough in the anti-slip properties of safety footwear soles. Footwear Sci 2015; 7: S58–S60.
• Lee S. Multifunctionality of layered fabric systems based on electrospun polyurethane/zinc oxide nanocomposite fibers. J Appl Polym Sci 2009; 114: 3652–3658.
• https://www.hohenstein.de/en/inline/pressrelease_4714.xhtml
• Kathirvelu S, Dsouza L and Dhurai B. UV protection finishing of textiles using ZnO nanoparticles. Ind J Fiber Text Res 2009; 34: 267–273.
• https://www.schoeller-textiles.com/en/technologies/nanosphere
• Fung W. Coated and laminated textiles in sportswear. In: Shishoo R (ed.) Textiles in sports. England: Wood Head Publishing in Textiles, 2005, pp.134–174.
• Mondal S. Phase change materials for smart textiles: an overview. Appl Therm Eng 2008; 28: 1536–1550.
• Manshahia M and Das A. High active sportswear – a critical review. Ind J Fiber Text Res 2014; 39: 441–449.
• Okubo M, Saeki N and Yamamoto T. Development of functional sportswear for controlling moisture and odor prepared by atmospheric pressure nonthermal plasma graft polymerization induced by RF glow discharge. J Electrost 2008; 66: 381–387.
• Toyokawa H, Matsui Y, Uhara J, et al. Promotive effects of far-infrared ray on full thickness skin wound healing in rats. Exp Biol Med 2003; 228: 724–729.
• Chung J and Lee S. Development of nanofibrous membranes with Far-Infrared radiation and their antimicrobial properties. Fiber Polym 2014; 15: 1153–1159.
• https://www.toosparse.ir/%D9%81%D9%86%D8%A7%D9%88%D8%B1%DB%8C%D9%86%D8%A7%D9%86%D9%88%D8%AF%D8%B1%D8%AA%D8%AC%D9%87%DB%8C%D8%B2%D8%A7%D8%AA%D9%88%D9%88%D8%B3%D8%A7%DB%8C%D9%84-%D9%88%D8%B1%D8%B2%D8%B4%DB%8C/
• http://nano-tech.blogsky.com/treatise40
• https://www.bmc-switzerland.com/int-en/experience/bmc-tempo/the_bmc_teammachine_a_story_of_success/
• http://www.understandingnano.com/sporting_goods.html

=====================================================================================

برای دسترسی به فایل PDF کلیه گزارشات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید.