水凝胶的前世今生

材料牛注：尿布为何吸湿性这么大？秘密在于其中带有一种保水材料——水凝胶。凝胶可能大家都知道，同样存在的还有气凝胶，其曾经被美国宇航局用于捕捉太阳系早期的粒子。而回归“下面”，本文主要关注点在尿布中使用的水凝胶，想知道它的“身世”和巨大的作用吗？让我们一起进入科普时间，了解水凝胶到底为何物。

大多数一次性尿布中含有一种了不起的材料：水凝胶。研究者们发现水凝胶除了能够吸湿，还可以用于经皮给药系统（或敷料）、干细胞疗法辅助剂、可溶解创可贴。水凝胶也可以作为绝缘材料，阻燃剂和隐形眼镜的材料。有这么多应用，水凝胶可谓是“钱”景无限。

事实上，凝胶曾被用于NASA的STARDUST任务：将太阳系早期的粒子镶嵌在一个气凝胶基质中。

气凝胶是一种无机化学聚合物。它曾被NASA在STARDUST任务中用于捕获太阳系早期的粒子。凝胶是最轻的材料之一，它的密度接近空气

如你所见，这种高分子的应用上限不可预测，但是鉴于本文的目的，让我们关注“下面”：水凝胶在尿布中极其有用。但是它们到底是什么呢？它们又是如何产生作用的？

水凝胶简史

水凝胶是由重复的单个分子（或称单体）合成的一种的物质。最初，凝胶和聚合物被认为是同一种物质的两种不同的形态。聚合物这一术语暗含一个分子中含有很多重复单元。当成百上千个单元紧紧地结合在一起时，就变成了一个巨大的物质。许多东西都是由高分子材料做成的，如服装、塑料，可能也包括你的电脑机箱和平板电脑套。

水凝胶作为聚合物出现是在十九世纪，当时化学家们发现橡胶（一种高分子聚合物）受热会收缩。这种聚合物的收缩以及溶胀使它们最终可以用于消费品和工业领域。

二战期间，美国政府非常迫切地想要找到一种天然橡胶的替代品，原因在于它们大部分都来源于远东太平洋战区。因此，盟军化学家们通过研究聚丙烯酸等聚合物的性质合成了替代品。

合成方案被Paul Flory, Maurice Huggins和John Rehner等著名科学家进行的一项更精密的研究取代。一直到二十世纪六十年代，聚丙烯酸等聚合物能作为几乎所有物品的廉价替代品，因此它们在二战后得到了更大的发展。一次性尿布成为了六十年代后期婴儿们的必备品。

二战期间，科学家们对聚丙烯酸等水凝胶进行了实验，凝胶最终成为了高分子科学的支柱。战争年代的发明专利表明聚丙烯酸被用于制造照片和防火凝胶（阻燃剂）。化学家们，如壳牌石油公司的Paul Flory，将聚合物科学写进了他1943的出版物——交联聚合物网络统计力学I和II。

凝胶vs聚合物

化学家和物理科学家们最初交替地使用凝胶和聚合物这两个术语。尽管这两种材料有着相同的聚合基，但它们的差别如下：

水凝胶是一类可以保持水分的聚合物，并且很“智能”，它们可以随周围环境的改变而做出反应。水凝胶含有碳-氢-氧分子，比起硫化橡胶，它的防水性较差。

硫化橡胶中的聚合物只会在特殊环境中溶胀，水不能渗透该聚合物，只有含碳氢的分子可以渗透该聚合物基体。这意味着水凝胶在很多含有各种液体的应用领域比橡胶更有用。

有用的水凝胶

水凝胶的保水能力意味着它们在尿布中作用很大，但是这类聚合物在其他许多方面同样很有用，例如防火材料和隐形眼镜。

水凝胶在防火中的应用：为了吸引观众注意力，电影中经常使用火做特效，其中的秘密在于利用了溶胀的水凝胶。特技演员是如何避免受伤的呢？答案是他们身上涂有水和水凝胶混合物。水被凝胶吸收后，成为不能被火穿透的保护层。

水凝胶在隐形眼镜中的应用：一次性的隐形眼镜属于智能高分子，其中利用了尿布的相关技术。尿布中的水凝胶会在水中溶胀，而隐形眼镜在生理学条件下需要更加灵活。

渗透是如何进行的呢？

渗透是由于分子力将液体推进干的基体区域而发生的。渗透，或者说渗透压，有三个基本条件：温度，体积和压力。最简单的渗透压仅仅需要这三个基本条件，但是水凝胶的渗透或者溶胀更具复杂性，依赖于最微小的环境变量。

Flory，Rehner，以及Huggins建立了一种物理化学理论，用于解释橡胶和它的合成替代品的行为。他们的方法是通过化学热力学建立天然和合成橡胶的行为理论。

硫化橡胶更强——而水凝胶更万能

这些研究者们使用计算方法解释了为何硫化橡胶优于天然橡胶。然而该方法应用于凝胶时，目前被认为仅仅是其物理化学性质的定性评估。

凝胶技术的表现可谓奇迹。由于1938-1945战争年间的努力，凝胶一直在不断发展。水凝胶持续被用在多个领域，且不断扩大。目前，science将它们用于干细胞技术，但是它的应用有限制吗？

由于凝胶可以保持和排除带有少量液体污染物的水，这也许可以用来研究它们对环境的潜在影响。水凝胶似乎是不会让我们苦恼的万金油，但不可否认其价值，但是它们如此巨大的功能让笔者略感惟恐。

原文链接：Disposable Diapers: Plastics, Chemistry, and Space Age Technology

本文由编辑部糯米提供素材，黄亚编译，刘宇龙审核，点我加入材料人编辑部。