水凝膠的前世今生

材料牛注：尿布為何吸濕性這么大？秘密在于其中帶有一種保水材料——水凝膠。凝膠可能大家都知道，同樣存在的還有氣凝膠，其曾經被美國宇航局用于捕捉太陽系早期的粒子。而回歸“下面”，本文主要關注點在尿布中使用的水凝膠，想知道它的“身世”和巨大的作用嗎？讓我們一起進入科普時間，了解水凝膠到底為何物。

大多數一次性尿布中含有一種了不起的材料：水凝膠。研究者們發現水凝膠除了能夠吸濕，還可以用于經皮給藥系統（或敷料）、干細胞療法輔助劑、可溶解創可貼。水凝膠也可以作為絕緣材料，阻燃劑和隱形眼鏡的材料。有這么多應用，水凝膠可謂是“錢”景無限。

事實上，凝膠曾被用于NASA的STARDUST任務：將太陽系早期的粒子鑲嵌在一個氣凝膠基質中。

氣凝膠是一種無機化學聚合物。它曾被NASA在STARDUST任務中用于捕獲太陽系早期的粒子。凝膠是最輕的材料之一，它的密度接近空氣

如你所見，這種高分子的應用上限不可預測，但是鑒于本文的目的，讓我們關注“下面”：水凝膠在尿布中極其有用。但是它們到底是什么呢？它們又是如何產生作用的？

水凝膠簡史

水凝膠是由重復的單個分子（或稱單體）合成的一種的物質。最初，凝膠和聚合物被認為是同一種物質的兩種不同的形態。聚合物這一術語暗含一個分子中含有很多重復單元。當成百上千個單元緊緊地結合在一起時，就變成了一個巨大的物質。許多東西都是由高分子材料做成的，如服裝、塑料，可能也包括你的電腦機箱和平板電腦套。

水凝膠作為聚合物出現是在十九世紀，當時化學家們發現橡膠（一種高分子聚合物）受熱會收縮。這種聚合物的收縮以及溶脹使它們最終可以用于消費品和工業領域。

二戰期間，美國政府非常迫切地想要找到一種天然橡膠的替代品，原因在于它們大部分都來源于遠東太平洋戰區。因此，盟軍化學家們通過研究聚丙烯酸等聚合物的性質合成了替代品。

合成方案被Paul Flory, Maurice Huggins和John Rehner等著名科學家進行的一項更精密的研究取代。一直到二十世紀六十年代，聚丙烯酸等聚合物能作為幾乎所有物品的廉價替代品，因此它們在二戰后得到了更大的發展。一次性尿布成為了六十年代后期嬰兒們的必備品。

二戰期間，科學家們對聚丙烯酸等水凝膠進行了實驗，凝膠最終成為了高分子科學的支柱。戰爭年代的發明專利表明聚丙烯酸被用于制造照片和防火凝膠（阻燃劑）。化學家們，如殼牌石油公司的Paul Flory，將聚合物科學寫進了他1943的出版物——交聯聚合物網絡統計力學I和II。

凝膠vs聚合物

化學家和物理科學家們最初交替地使用凝膠和聚合物這兩個術語。盡管這兩種材料有著相同的聚合基，但它們的差別如下：

水凝膠是一類可以保持水分的聚合物，并且很“智能”，它們可以隨周圍環境的改變而做出反應。水凝膠含有碳-氫-氧分子，比起硫化橡膠，它的防水性較差。

硫化橡膠中的聚合物只會在特殊環境中溶脹，水不能滲透該聚合物，只有含碳氫的分子可以滲透該聚合物基體。這意味著水凝膠在很多含有各種液體的應用領域比橡膠更有用。

有用的水凝膠

水凝膠的保水能力意味著它們在尿布中作用很大，但是這類聚合物在其他許多方面同樣很有用，例如防火材料和隱形眼鏡。

水凝膠在防火中的應用：為了吸引觀眾注意力，電影中經常使用火做特效，其中的秘密在于利用了溶脹的水凝膠。特技演員是如何避免受傷的呢？答案是他們身上涂有水和水凝膠混合物。水被凝膠吸收后，成為不能被火穿透的保護層。

水凝膠在隱形眼鏡中的應用：一次性的隱形眼鏡屬于智能高分子，其中利用了尿布的相關技術。尿布中的水凝膠會在水中溶脹，而隱形眼鏡在生理學條件下需要更加靈活。

滲透是如何進行的呢？

滲透是由于分子力將液體推進干的基體區域而發生的。滲透，或者說滲透壓，有三個基本條件：溫度，體積和壓力。最簡單的滲透壓僅僅需要這三個基本條件，但是水凝膠的滲透或者溶脹更具復雜性，依賴于最微小的環境變量。

Flory，Rehner，以及Huggins建立了一種物理化學理論，用于解釋橡膠和它的合成替代品的行為。他們的方法是通過化學熱力學建立天然和合成橡膠的行為理論。

硫化橡膠更強——而水凝膠更萬能

這些研究者們使用計算方法解釋了為何硫化橡膠優于天然橡膠。然而該方法應用于凝膠時，目前被認為僅僅是其物理化學性質的定性評估。

凝膠技術的表現可謂奇跡。由于1938-1945戰爭年間的努力，凝膠一直在不斷發展。水凝膠持續被用在多個領域，且不斷擴大。目前，science將它們用于干細胞技術，但是它的應用有限制嗎？

由于凝膠可以保持和排除帶有少量液體污染物的水，這也許可以用來研究它們對環境的潛在影響。水凝膠似乎是不會讓我們苦惱的萬金油，但不可否認其價值，但是它們如此巨大的功能讓筆者略感惟恐。

原文鏈接：Disposable Diapers: Plastics, Chemistry, and Space Age Technology

本文由編輯部糯米提供素材，黃亞編譯，劉宇龍審核，點我加入材料人編輯部。