花王為毛巾變硬的現(xiàn)象提出了一個(gè)理論模型

文章來源：雷鋒網(wǎng)可能大家都發(fā)現(xiàn)了，毛巾用的久了就會(huì)發(fā)硬。

有人說，這是因?yàn)樗杏坞x的鈣、鎂離子與肥皂結(jié)合，生成鈣鎂皂附著在毛巾的表面所致;也有人說，人們體液中不易溶于水的油脂、蛋白質(zhì)、皮屑、無機(jī)鹽、灰垢等雜質(zhì)僅用清水很難清洗干凈，雜質(zhì)經(jīng)過日積月累，毛巾的使用感就會(huì)變差。

于是，一大波生活小妙招涌現(xiàn)出來——拿淘米水煮、用白醋泡，甚至是放微波爐加熱。

然而，沒用過幾次的毛巾自然晾干后也會(huì)變硬。

實(shí)際上，花王株式會(huì)社(Kao Corporation)和北海道大學(xué)(Hokkaido University)的研究人員也曾經(jīng)就這個(gè)現(xiàn)象專門做過研究。他們認(rèn)為，一種與普通的水不有著不同的氫鍵結(jié)合狀態(tài)的「結(jié)合水」(Bound Water)影響了毛巾原有的柔韌性和蓬松感。

2020 年初，該研究團(tuán)隊(duì)在《物理化學(xué)雜志》在線發(fā)表了這一研究成果，論文題為 Direct Observation of Bound Water on Cotton Surfaces by Atomic Force Microscopy and Atomic Force Microscopy–Infrared Spectroscopy(基于原子力顯微鏡和原子力顯微鏡-紅外光譜法直接觀察棉花表面的結(jié)合水)。

纖維表面的結(jié)合水影響毛巾的硬度

科學(xué)家總是對(duì)周遭的事物充滿好奇心。

為了一探究竟，研究人員從純棉毛巾本身的材質(zhì)入手——純棉毛巾，顧名思義，主要以棉花為原料。而棉花又稱棉纖維，所以想要的答案可能藏在纖維里。

研究人員為這種毛巾變硬的現(xiàn)象提出了一個(gè)理論模型。

根據(jù)模型，棉質(zhì)材料的軟硬是由一根根纖維交錯(cuò)形成的網(wǎng)絡(luò)決定的，而影響纖維網(wǎng)絡(luò)的，正是結(jié)合水在纖維素表面的毛細(xì)管粘附現(xiàn)象。

具體來講，在毛巾自然晾干時(shí)，結(jié)合水的表面張力(0.078 N/m)會(huì)引起纖維之間的毛細(xì)作用力，因此，晾干過程中水分持續(xù)減少，纖維之間的距離也越來越近。

但水分的持續(xù)減少并不代表完全蒸發(fā)了。相反，部分水不僅殘留在內(nèi)部，也殘留在纖維的表面，只是這里所說的水(結(jié)合水)已經(jīng)不是我們通常意義上的水(普通水)了。棉纖維表面的結(jié)合水影響著毛巾的硬度。

下圖 a、b 分別是通過自然晾干和經(jīng)洗滌、甩干等一系列操作(想象一下洗衣機(jī)是怎么工作的)晾干的毛巾的狀態(tài)，根據(jù)圖片可以想象到，a 比較硬，像是被粘住了;而 b 更為柔軟松散。

值得一提的是，本土目前對(duì)面料評(píng)估的體系為 KES-FB，因此在這一研究中，研究人員也是基于這一體系。圖 c 便是利用 KES-FB 對(duì)上述兩種毛巾彎曲力、軟硬程度的評(píng)估。這一評(píng)估再次說明，由于結(jié)合水的存在，棉纖維由于彎曲而脫離連接。

為了驗(yàn)證這一發(fā)現(xiàn)，研究人員通過加熱的方式，試圖從自然晾干的毛巾中人為地去除結(jié)合水，結(jié)果毛巾果然又呈現(xiàn)出了其原有的柔韌性和蓬松感。

雷鋒網(wǎng)了解到，結(jié)合水的發(fā)現(xiàn)，是通過原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy，AFM)得到的。

所謂原子力顯微鏡，實(shí)際上是一種專門研究固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。這種儀器通過檢測(cè)樣品表面和一個(gè)微型力敏感元件之間極其微弱的原子間相互作用力，旨在研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。利用這種儀器，研究人員能夠以納米級(jí)分辨率，獲得固體材料表面形貌結(jié)構(gòu)和粗糙度等等信息。

擁有獨(dú)特氫鍵的結(jié)合水

那么，結(jié)合水是什么水?和普通的水有什么區(qū)別呢?

為了解結(jié)合水的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，研究人員使用了一種基于原子力顯微鏡的紅外光譜(AFM-IR)特殊分析技術(shù)，這種技術(shù)簡(jiǎn)單來講就是，用可調(diào)紅外激光照射樣品表面，并用原子力顯微鏡的懸臂梁測(cè)量樣品表面的光熱膨脹。

下圖 a 是單個(gè)棉纖維的 AFM 圖像，圖片上 5 處五顏六色的標(biāo)記表示 AFM–IR 的測(cè)量點(diǎn)。下圖 b 為濕度 50% 時(shí)自然晾干(藍(lán)線)和完全晾干(綠線)的毛巾的 AFM-IR 數(shù)據(jù)(實(shí)際上藍(lán)線有兩個(gè)明顯峰值，綠線則沒有，再一次證明了結(jié)合水的存在)。

值得一提的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，結(jié)合水和普通水的區(qū)別在于氫鍵(Hydrogen Bond)狀態(tài)。

如果還沒有把知識(shí)還給老師的話，你或許還記得化學(xué)課上講過的由一個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子組成的一價(jià)原子團(tuán) -OH(氫氧基)。

研究人員認(rèn)為，結(jié)合水中 OH 基團(tuán)的兩種拉伸模式明顯不同，與液態(tài)水的光譜呈寬梯形相反，這表明結(jié)合水的氫鍵狀態(tài)受到了其與纖維表面相互作用的影響。由于空氣-水(疏水)界面和水-纖維(親水)界面的作用，結(jié)合水存在兩種不同的氫鍵狀態(tài)，其一是纖維-水界面上結(jié)合水上 OH 基團(tuán)與纖維素上 OH 基團(tuán)的結(jié)合(較高的波數(shù)側(cè))，其二是水-空氣界面上水分子之間牢固的氫鍵(較低的波數(shù)側(cè))。

不過，對(duì)于上述結(jié)合水的性質(zhì)，研究團(tuán)隊(duì)目前還沒有強(qiáng)有力的證據(jù)來證明。

關(guān)于花王株式會(huì)社

就這一研究成果而言，論文合著者、來自花王株式會(huì)社材料科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室的 Takako Igarash 補(bǔ)充說：

過去人們認(rèn)為，柔順劑之所以有效，是因?yàn)樗鼫p少了棉纖維之間的摩擦力。但我們的研究結(jié)果表明，結(jié)合水也造成了棉纖維的硬化。這可以讓我們更好地理解柔順劑的工作原理，從而幫助我們更好地研究柔順劑的配方。

雷鋒網(wǎng)編輯不免想起，不少博主都曾安利過各類花王產(chǎn)品，比如泡沫染發(fā)劑、蒸汽眼罩、清潔劑甚至是拖把。

實(shí)際上，成立于 1887 年的花王株式會(huì)社，作為躋身世界 500 強(qiáng)的知名日用品品牌，旗下產(chǎn)品品類眾多，共有個(gè)人護(hù)理用品、家居清潔用品、生理衛(wèi)生用品等共 600 多種，其中大部分都是高分子化學(xué)品。

雷鋒網(wǎng)了解到，花王雖是一家百年老店，也十分注重信息技術(shù)的運(yùn)用——其研發(fā)人員比例高達(dá) 28.3%，僅軟件開發(fā)部就有 200 多個(gè)系統(tǒng)分析師和程序設(shè)計(jì)師。

花王共有 9 個(gè)研究所，其中一個(gè)知識(shí)情報(bào)科學(xué)研究所(Knowledge Intelligence Science Institute)也是引起了國際工商情報(bào)界的極大興趣。

2004 年 10 月，花王()研究開發(fā)中心有限公司成立，該研發(fā)中心擁有實(shí)驗(yàn)室、制劑實(shí)驗(yàn)室、香料實(shí)驗(yàn)室、彩妝實(shí)驗(yàn)室、生理衛(wèi)生用品實(shí)驗(yàn)室、防腐防霉實(shí)驗(yàn)室、保存安定室、分析測(cè)量室等主要實(shí)驗(yàn)室。

可見，花王株式會(huì)社與北海道大學(xué)的上述研究，在某種程度上對(duì)其產(chǎn)品的優(yōu)化升級(jí)也有著積極意義。