在尿不濕普及之前，尿布是每個(gè)嬰兒的必備品，人們?yōu)樾雰簜儨?zhǔn)備了五花八門的尿布，并需要花費(fèi)大量時(shí)間清洗。尿不濕這種“一次性”用品的出現(xiàn)，為家庭帶來(lái)了方便，解決了清洗尿布帶來(lái)的煩惱。

過(guò)去晾曬尿布的場(chǎng)面往往被戲稱為“萬(wàn)國(guó)旗”(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))

現(xiàn)在嬰兒們用上了“尿不濕”(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))

　　是誰(shuí)發(fā)明了這么方便的“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。

　　這種高科技含量的尿布已列入粒子加速器應(yīng)用的案例，美國(guó)能源部的粒子物理學(xué)線上電子刊物網(wǎng)站《Symmetry》專門刊文“Accelerators help keep baby dry”作了報(bào)道。

《Symmetry》刊登的”Accelerators help keep baby dry”(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))

　　尿不濕的起源

　　“尿不濕”最初并不是為嬰兒們發(fā)明的。20世紀(jì)60年代初，蘇聯(lián)及美國(guó)都發(fā)生過(guò)宇航員已進(jìn)入宇宙飛船但在長(zhǎng)時(shí)間等待發(fā)射期間遇到內(nèi)急無(wú)法排尿的尷尬場(chǎng)面。華裔科學(xué)家唐鑫源當(dāng)時(shí)出任美國(guó)太空總署太空飛行中心材料研究所所長(zhǎng)(研究所主要從事太空應(yīng)用材料的研究)。

　　唐鑫源領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在20世紀(jì)80年代完成了對(duì)宇航員太空服的改進(jìn)，其中包括發(fā)明了具有強(qiáng)力吸水性能的宇航員專用紙尿褲(吸水量可達(dá)到1400毫升)，宇航員們?cè)僖膊挥脼榈却钪骘w船發(fā)射時(shí)的內(nèi)急為難了。

　　嬰兒用的一次性尿布早在20世紀(jì)40年代末市場(chǎng)上就有銷售，但那時(shí)的一次性尿布吸水率不高，不很好用。專為宇航員開(kāi)發(fā)的這種紙尿褲含有一種高分子聚合物材料(以高分子化合物為基體，配有其他助劑構(gòu)成的高分子吸水樹(shù)脂)，它能夠吸納其自身重量數(shù)百倍、甚至上千倍的水，并具有很強(qiáng)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(lái)。這種新型材料的吸水優(yōu)勢(shì)顯露出極大的商機(jī)，只是當(dāng)時(shí)這種材料的制作成本很高，要想得到更廣泛的應(yīng)用必須改進(jìn)工藝并大大降低成本。

　　粒子加速器的功勞

　　20世紀(jì)90年代起，美國(guó)道氏化學(xué)公司(DOW Chemical Company)開(kāi)始深入研究這種高分子聚合物材料，為了制造高品質(zhì)的產(chǎn)品，化學(xué)家們需要了解這種材料更微觀的細(xì)節(jié)。至關(guān)重要的是：要弄明白這種材料在吸納水分時(shí)到底發(fā)生了什么？這太困難了，在常規(guī)的顯微鏡下根本就看不明白。

　　道氏公司的研究人員在美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)找到了合作伙伴，他們使用了新的研究手段：在LBNL的先進(jìn)光源(ALS)上，最前沿的X射線顯微技術(shù)可讓化學(xué)家們以令人驚奇的細(xì)節(jié)觀察、了解這種高吸水性聚合物材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

　　ALS是世界上紫外線及軟X射線能區(qū)的第一臺(tái)第三代同步輻射光源，由直線加速器、增強(qiáng)器、儲(chǔ)存環(huán)、束流引出、光束線、實(shí)驗(yàn)站組成。當(dāng)電子束團(tuán)被磁鐵導(dǎo)入圓形軌道時(shí)，這些束團(tuán)以接近光的速度運(yùn)行，沿切線方向發(fā)出高亮度的紫外線和X射線光，通過(guò)光束線分別輸送到各個(gè)實(shí)驗(yàn)站。

ALS全景(圖片來(lái)自http://www.lbl.gov/)

ALS的直線加速器與增強(qiáng)器(圖片來(lái)自http://www.lbl.gov/)

ALS的儲(chǔ)存環(huán)與束流引出線(圖片來(lái)自http://www.lbl.gov/)

ALS的光束線分布(圖片來(lái)自http://www.lbl.gov/)

ALS的實(shí)驗(yàn)區(qū)與實(shí)驗(yàn)站(圖片來(lái)自http://www.lbl.gov/)

　　ALS所提供的高亮度束流使此前不可能進(jìn)行的研究成為可能，為在材料科學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、物理和環(huán)境科學(xué)研究開(kāi)展最前沿的研究提供了前所未有的機(jī)會(huì)。

　　道氏公司帶了各種樣品到ALS的實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行分析，先進(jìn)的X射線顯微技術(shù)使化學(xué)家們第一次看到了高吸水性聚合物材料吸納水分時(shí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。

　　高吸水性聚合物由長(zhǎng)鏈分子組成，外形呈球狀(直徑為亞毫米量級(jí))，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)。吸納液體后的聚合物小球表面會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，其分子鏈在交叉處相互纏繞形成緊密交聯(lián)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(jié)構(gòu)的微觀細(xì)節(jié)，如殼層內(nèi)外交聯(lián)的變化等確實(shí)很難被觀察到，但研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用X射線顯微技術(shù)(NEXAFS光譜顯微鏡)能很好地識(shí)別和研究這些分子鏈的結(jié)構(gòu)，他們成功地繪制出不同條件下通過(guò)不同方式形成的殼層交聯(lián)密度的變化圖，從而提供了在微觀上衡量形成密封殼過(guò)程的效果和改進(jìn)工藝流程的方法。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表的實(shí)驗(yàn)成果(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))

　　他們的實(shí)驗(yàn)如此成功，道氏公司利用在ALS得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不斷調(diào)整和改進(jìn)配方，為制造高吸水性聚合物材料的工廠設(shè)計(jì)了新的生產(chǎn)工藝，直到完全滿足生產(chǎn)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(wú)毒，尿不濕僅是其應(yīng)用的一個(gè)例子。掌握了這種材料的精細(xì)結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們可以根據(jù)不同的應(yīng)用需要調(diào)整配方，使其在各類過(guò)濾裝置、外科手術(shù)墊、醫(yī)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(fā)生核災(zāi)難時(shí)，為阻止2號(hào)反應(yīng)堆高放射性物的泄漏就用上了這種超吸收聚合物。當(dāng)然，科學(xué)家們還在不斷尋找著這種高吸水性聚合物的更多用途。

　　結(jié)語(yǔ)

　　初衷是為科學(xué)研究而發(fā)展的各種高新技術(shù)對(duì)人類的健康、財(cái)富和安全都會(huì)產(chǎn)生極大的影響，而且很可能是在人們根本不會(huì)想到的領(lǐng)域扮演起關(guān)鍵的角色，例如已走進(jìn)千家萬(wàn)戶的尿不濕。據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)，全世界嬰兒用尿不濕的市場(chǎng)價(jià)值每年已達(dá)數(shù)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?jìng)兌紤?yīng)感謝粒子加速器為此作出的貢獻(xiàn)。

　　著名的科技網(wǎng)站“Futurism”上刊登的一篇文章(題為“The Benefits of Particle Research”)甚至說(shuō)“現(xiàn)代尿布誕生于粒子加速器(Yes, that’s right; the modern diaper was born in a particle accelerator.)”，哈！

現(xiàn)代尿布誕生于粒子加速器(資料來(lái)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(guó)先進(jìn)光源ALS

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