现代尿不湿，还有粒子加速器的功劳！

科学大院 2022-05-15

The following article is from 中科院高能所 Author Ericsen

在尿不湿普及之前，尿布是每个婴儿的必备品，人们为小婴儿们准备了五花八门的尿布，并需要花费大量时间清洗。尿不湿这种“一次性”用品的出现，为家庭带来了方便，解决了清洗尿布带来的烦恼。

过去晾晒尿布的场面往往被戏称为“万国旗”(图片来源：网络)

现在婴儿们用上了“尿不湿”(图片来源：网络)

是谁发明了这么方便的“尿不湿”呢？让你完全想不到的是：婴儿们能用上神奇的尿不湿居然还有粒子加速器的功劳。

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”(图片来源：网络)

尿不湿的起源

“尿不湿”最初并不是为婴儿们发明的。20世纪60年代初，苏联及美国都发生过宇航员已进入宇宙飞船但在长时间等待发射期间遇到内急无法排尿的尴尬场面。华裔科学家唐鑫源当时出任美国太空总署太空飞行中心材料研究所所长(研究所主要从事太空应用材料的研究)。

唐鑫源领导的团队在20世纪80年代完成了对宇航员太空服的改进，其中包括发明了具有强力吸水性能的宇航员专用纸尿裤(吸水量可达到1400毫升)，宇航员们再也不用为等待宇宙飞船发射时的内急为难了。

婴儿用的一次性尿布早在20世纪40年代末市场上就有销售，但那时的一次性尿布吸水率不高，不很好用。专为宇航员开发的这种纸尿裤含有一种高分子聚合物材料(以高分子化合物为基体，配有其他助剂构成的高分子吸水树脂)，它能够吸纳其自身重量数百倍、甚至上千倍的水，并具有很强的保水能力，一旦吸水膨胀，即使加压也很难把水再分离出来。这种新型材料的吸水优势显露出极大的商机，只是当时这种材料的制作成本很高，要想得到更广泛的应用必须改进工艺并大大降低成本。

粒子加速器的功劳

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。

道氏公司的研究人员在美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)找到了合作伙伴，他们使用了新的研究手段：在LBNL的先进光源(ALS)上，最前沿的X射线显微技术可让化学家们以令人惊奇的细节观察、了解这种高吸水性聚合物材料的复杂结构。

ALS是世界上紫外线及软X射线能区的第一台第三代同步辐射光源，由直线加速器、增强器、储存环、束流引出、光束线、实验站组成。当电子束团被磁铁导入圆形轨道时，这些束团以接近光的速度运行，沿切线方向发出高亮度的紫外线和X射线光，通过光束线分别输送到各个实验站。

ALS全景(图片来源：http://www.lbl.gov/)

ALS的直线加速器与增强器(图片来源：http://www.lbl.gov/)

ALS的储存环与束流引出线(图片来源：http://www.lbl.gov/)

ALS的光束线分布(图片来源：http://www.lbl.gov/)

ALS的实验区与实验站(图片来源：http://www.lbl.gov/)

ALS所提供的高亮度束流使此前不可能进行的研究成为可能，为在材料科学、生物学、化学、物理和环境科学研究开展最前沿的研究提供了前所未有的机会。

道氏公司带了各种样品到ALS的实验站进行分析，先进的X射线显微技术使化学家们第一次看到了高吸水性聚合物材料吸纳水分时的精细结构。

高吸水性聚合物由长链分子组成，外形呈球状(直径为亚毫米量级)，具有极好的吸纳液体的能力(可吸纳800-1000倍自身重量的液体)。吸纳液体后的聚合物小球表面会产生化学反应，其分子链在交叉处相互缠绕形成紧密交联的密封薄壳，从而使已吸纳的液体很难再泄漏出去。这种壳层结构的微观细节，如壳层内外交联的变化等确实很难被观察到，但研究团队应用X射线显微技术(NEXAFS光谱显微镜)能很好地识别和研究这些分子链的结构，他们成功地绘制出不同条件下通过不同方式形成的壳层交联密度的变化图，从而提供了在微观上衡量形成密封壳过程的效果和改进工艺流程的方法。

研究团队发表的实验成果(图片来源：网络)

他们的实验如此成功，道氏公司利用在ALS得到的实验结果不断调整和改进配方，为制造高吸水性聚合物材料的工厂设计了新的生产工艺，直到完全满足生产完美的婴儿尿不湿所需。

这种神奇的高吸水性聚合物材料安全、无毒，尿不湿仅是其应用的一个例子。掌握了这种材料的精细结构，科学家们可以根据不同的应用需要调整配方，使其在各类过滤装置、外科手术垫、医疗冷热疗包、阻燃凝胶、溢出物控制等方面大显身手。2011年日本福岛发生核灾难时，为阻止2号反应堆高放射性物的泄漏就用上了这种超吸收聚合物。当然，科学家们还在不断寻找着这种高吸水性聚合物的更多用途。

结语

初衷是为科学研究而发展的各种高新技术对人类的健康、财富和安全都会产生极大的影响，而且很可能是在人们根本不会想到的领域扮演起关键的角色，例如已走进千家万户的尿不湿。据相关的统计，全世界婴儿用尿不湿的市场价值每年已达数百亿美元。

尿不湿完全改变了父母照顾婴儿的方式，所有依赖尿不湿的婴儿父母们都应感谢粒子加速器为此作出的贡献。

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！

现代尿布诞生于粒子加速器(资料来自Futurism)

参考资料:

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

10. A Brief History of the Disposable Diaper

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

11. The Benefits of Particle Research

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

12. Why Particle Physics Matters To Manufacturers

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

13. Superabsorbent Polymer Materials: A Review

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

14. CERN and the future of particle physics

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

15. 美国先进光源ALS

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