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現代尿不濕,還有粒子加速器的功勞!
2019-05-16 |文章来源: 撰文 | Ericsen| 浏览次数:  |

  在尿不濕普及之前,尿布是每個嬰兒的必備品,人們爲小嬰兒們准備了五花八門的尿布,並需要花費大量時間清洗。尿不濕這種“一次性”用品的出現,爲家庭帶來了方便,解決了清洗尿布帶來的煩惱。

過去晾曬尿布的場面往往被戲稱爲“萬國旗”(圖片來自網絡)

現在嬰兒們用上了“尿不濕”(圖片來自網絡)

  是誰發明了這麽方便的“尿不濕”呢?讓你完全想不到的是:嬰兒們能用上神奇的尿不濕居然還有粒子加速器的功勞。

  这种高科技含量的尿布已列入粒子加速器应用的案例,美国能源部的粒子物理学线上电子刊物网站《Symmetry》专门刊文“Accelerators help keep baby dry”作了报道。

《Symmetry》刊登的”Accelerators help keep baby dry”(图片来自网络)

  尿不濕的起源

  “尿不濕”最初並不是爲嬰兒們發明的。20世紀60年代初,蘇聯及美國都發生過宇航員已進入宇宙飛船但在長時間等待發射期間遇到內急無法排尿的尴尬場面。華裔科學家唐鑫源當時出任美國太空總署太空飛行中心材料研究所所長(研究所主要從事太空應用材料的研究)。

  唐鑫源領導的團隊在20世紀80年代完成了對宇航員太空服的改進,其中包括發明了具有強力吸水性能的宇航員專用紙尿褲(吸水量可達到1400毫升),宇航員們再也不用爲等待宇宙飛船發射時的內急爲難了。

  嬰兒用的一次性尿布早在20世紀40年代末市場上就有銷售,但那時的一次性尿布吸水率不高,不很好用。專爲宇航員開發的這種紙尿褲含有一種高分子聚合物材料(以高分子化合物爲基體,配有其他助劑構成的高分子吸水樹脂),它能夠吸納其自身重量數百倍、甚至上千倍的水,並具有很強的保水能力,一旦吸水膨脹,即使加壓也很難把水再分離出來。這種新型材料的吸水優勢顯露出極大的商機,只是當時這種材料的制作成本很高,要想得到更廣泛的應用必須改進工藝並大大降低成本。

  粒子加速器的功勞

  20世纪90年代起,美国道氏化学公司(DOW Chemical Company)开始深入研究这种高分子聚合物材料,为了制造高品质的产品,化学家们需要了解这种材料更微观的细节。至关重要的是:要弄明白这种材料在吸纳水分时到底发生了什么?这太困难了,在常规的显微镜下根本就看不明白。

  道氏公司的研究人員在美國勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)找到了合作夥伴,他們使用了新的研究手段:在LBNL的先進光源(ALS)上,最前沿的X射線顯微技術可讓化學家們以令人驚奇的細節觀察、了解這種高吸水性聚合物材料的複雜結構。

  ALS是世界上紫外線及軟X射線能區的第一台第三代同步輻射光源,由直線加速器、增強器、儲存環、束流引出、光束線、實驗站組成。當電子束團被磁鐵導入圓形軌道時,這些束團以接近光的速度運行,沿切線方向發出高亮度的紫外線和X射線光,通過光束線分別輸送到各個實驗站。

ALS全景(圖片來自http://www.lbl.gov/)

ALS的直線加速器與增強器(圖片來自http://www.lbl.gov/)

ALS的儲存環與束流引出線(圖片來自http://www.lbl.gov/)

ALS的光束線分布(圖片來自http://www.lbl.gov/)

ALS的實驗區與實驗站(圖片來自http://www.lbl.gov/)

  ALS所提供的高亮度束流使此前不可能進行的研究成爲可能,爲在材料科學、生物學、化學、物理和環境科學研究開展最前沿的研究提供了前所未有的機會。

  道氏公司帶了各種樣品到ALS的實驗站進行分析,先進的X射線顯微技術使化學家們第一次看到了高吸水性聚合物材料吸納水分時的精細結構。

  高吸水性聚合物由長鏈分子組成,外形呈球狀(直徑爲亞毫米量級),具有極好的吸納液體的能力(可吸納800-1000倍自身重量的液體)。吸納液體後的聚合物小球表面會産生化學反應,其分子鏈在交叉處相互纏繞形成緊密交聯的密封薄殼,從而使已吸納的液體很難再泄漏出去。這種殼層結構的微觀細節,如殼層內外交聯的變化等確實很難被觀察到,但研究團隊應用X射線顯微技術(NEXAFS光譜顯微鏡)能很好地識別和研究這些分子鏈的結構,他們成功地繪制出不同條件下通過不同方式形成的殼層交聯密度的變化圖,從而提供了在微觀上衡量形成密封殼過程的效果和改進工藝流程的方法。

研究團隊發表的實驗成果(圖片來自網絡)

  他們的實驗如此成功,道氏公司利用在ALS得到的實驗結果不斷調整和改進配方,爲制造高吸水性聚合物材料的工廠設計了新的生産工藝,直到完全滿足生産完美的嬰兒尿不濕所需。

  這種神奇的高吸水性聚合物材料安全、無毒,尿不濕僅是其應用的一個例子。掌握了這種材料的精細結構,科學家們可以根據不同的應用需要調整配方,使其在各類過濾裝置、外科手術墊、醫療冷熱療包、阻燃凝膠、溢出物控制等方面大顯身手。2011年日本福島發生核災難時,爲阻止2號反應堆高放射性物的泄漏就用上了這種超吸收聚合物。當然,科學家們還在不斷尋找著這種高吸水性聚合物的更多用途。

  結語

  初衷是爲科學研究而發展的各種高新技術對人類的健康、財富和安全都會産生極大的影響,而且很可能是在人們根本不會想到的領域扮演起關鍵的角色,例如已走進千家萬戶的尿不濕。據相關的統計,全世界嬰兒用尿不濕的市場價值每年已達數百億美元。

  尿不濕完全改變了父母照顧嬰兒的方式,所有依賴尿不濕的嬰兒父母們都應感謝粒子加速器爲此作出的貢獻。

  著名的科技网站“Futurism”上刊登的一篇文章(题为“The Benefits of Particle Research”)甚至说“现代尿布诞生于粒子加速器(Yes, that’s right; the modern diaper was born in a particle accelerator.)”,哈!

現代尿布誕生于粒子加速器(資料來自Futurism)

  參考資料

  1、Accelerator apps: Diapers / Accelerators help keep baby dry

  https://www.symmetrymagazine.org/article/may-2011/accelerator-apps-diapers

  2、How Particle Physics Improves Your Life?

  https://www.energy.gov/articles/how-particle-physics-improves-your-life

  3、Seeking the Perfact Sponge: Baby Diapers Drive Polymer Tmprovement

  https://www2.lbl.gov/Science-Articles/Archive/diapers-als.html

  4、Crosslink Density of Superabsorbent Polymers

  https://www.iop.vast.ac.vn/theor/conferences/smp/1st/kaminuma/AdvanceLightSource/superabsorb.html

  5、ALSNews /Crosslink Density of Superabsorbent Polymers

  https://www.iop.vast.ac.vn/theor/conferences/smp/1st/kaminuma/AdvanceLightSource/vol.172_031401.html#1

  6、Quantitative Characterization of Microscopic Variations in the Crosslink Density of Gel

  https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ma010840d

  7、America’s particle physics and accelerator laboratory

  http://news.fnal.gov/wp-content/uploads/fermilab-brochure.pdf

  8、The Baby Diaper Secret

  https://www.stevespanglerscience.com/lab/experiments/baby-diaper-secret-vanishing-water/

  9、The History of Spacesuits

  https://www.nasa.gov/audience/forstudents/k-4/stories/history-of-spacesuits-k4.html

  10、From the Earth to the Moon, or from Houston to Orlando to Store Shelves

    https://science.howstuffworks.com/innovation/nasa-inventions/nasa-change-diapers1.htm

  11、A Brief History of the Disposable Diaper

  http://motherjones.com/environment/2008/04/brief-history-disposable-diaper

  12、The Benefits of Particle Research

  https://futurism.com/the-benefits-of-particle-research

  13、Why Particle Physics Matters To Manufacturers

  https://www.forbes.com/sites/mikecollins/2015/03/17/why-particle-physiucs-matters-to-manufacturers/#ecf75d81c0a9

  14、Superabsorbent Polymer Materials: A Review

  https://www.researchgate.net/publication/242582443_Superabsorbent_Polymer_Materials_A_Review

  15、CERN and the future of particle physics

  https://indico.cern.ch/event/696045/contributions/2894122/attachments/1636105/2613277/Phat_CERNAndTheFutureOfParticlePhysics_opt.pdf

  16、美國先進光源ALS

  http://lssf.cas.cn/lssf/kpyd/zsk/gwss/201509/t20150923_4429349.html


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