TL;DR Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego Twoje ręczniki stają się sztywne, gdy suszysz je na sznurku? Według badań przeprowadzonych w Japonii, cząsteczki wody znajdujące się na ręczniku łączą poszczególne włókna bawełny, powodując ich twardnienie.

Jest to polskie tłumaczenie informacji prasowej opublikowanej w języku japońskim 18 marca.

Grupa badawcza utworzona przez Material Science Research Laboratory of Kao Corporation (prezes: Michitaka Sawada) oraz Institute of Low Temperature Science (Ken-ichiro Murata, adiunkt) Uniwersytetu Hokkaido przedstawiła pierwsze bezpośrednie obserwacje specjalnej wody związanej z powierzchniami bawełny za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM)*1 oraz spektroskopii w podczerwieni opartej na AFM (AFM-IR)*2 (Rys. 1). Wyniki te wyraźnie potwierdzają model*4 zaproponowany przez Kao w 2011 roku, który wyjaśnia, że sieciowanie pojedynczych włókien*3 w wyniku działania wody związanej na powierzchni bawełny powoduje zjawisko twardnienia bawełny po naturalnym suszeniu.
Badanie to dostarcza nowej perspektywy dla efektów działania zmiękczacza tkanin, odmiennej od ustalonej teorii redukcji tarcia, i oferuje wgląd w lepsze zrozumienie struktury i funkcji wody na powierzchniach materiałów, które ostatnio są przedmiotem wielu dyskusji.
Wyniki badań zostały opublikowane w The Journal of Physical Chemistry C.*5
*1 AFM (Atomic Force Microscopy): Mikroskop typu sondowego służący do wykrywania siły pomiędzy atomami na końcówce sondy a atomami próbki na poziomie atomowym poprzez bliskie zbliżenie się do próbki zaostrzoną sondą. Umożliwia to obserwację powierzchni materiału z dokładnością do poziomu atomowego.
*2 AFM-IR (spektroskopia w podczerwieni oparta na mikroskopii sił atomowych): Wysoce zaawansowana technika analizy powierzchni, która pozwala na jednoczesną bezpośrednią, precyzyjną obserwację powierzchni próbki i uzyskanie informacji o jej składzie chemicznym/stanie. W tej technice, powierzchnia próbki jest napromieniowywana przestrajalnym laserem IR, a wynikające z tego fototermiczne rozszerzenie powierzchni jest mierzone za pomocą wspornika AFM. Widma IR uzyskuje się poprzez dostrojenie impulsu podczerwonego do długości fal absorpcyjnych.
*3 Pojedyncze włókna: Drobne włókna tworzące nić.
*4 Patrz załączone angielskie tłumaczenie wcześniej opublikowanej informacji prasowej (November 1, 2011: Elucidation of mechanism of the effects of rinse cycle fabric softener)
https://www.kao.com/content/dam/sites/kao/www-kao-com/global/en/news/2011/pdf/20111101-001-01.pdf
*5 Direct Observation of Bound Water on Cotton Surfaces by AFM and AFM-IR, The Journal of Physical Chemistry C.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.0c00423

Rys. 1. Widma AFM-IR wskazujące na obecność wody związanej na powierzchni bawełny

Rys. 2. Schematyczna ilustracja pojedynczych włókien bawełny utwardzonych po zwilżeniu i naturalnym suszeniu
Opis

W życiu codziennym często obserwuje się, że ręcznik bawełniany staje się sztywny jak klej, gdy jest prany bez płynu do płukania tkanin i naturalnie suszony. Chociaż jest to powszechne, mechanizm ten nie został do tej pory dobrze zrozumiany. Kao Corporation przez długi czas prowadziła badania tego mechanizmu twardnienia jako część swoich badań nad rozwojem środków zmiękczających do tkanin, co doprowadziło do zwrócenia szczególnej uwagi na specjalny rodzaj wody na powierzchniach bawełnianych, tzw. wodę związaną. Woda związana to taka, która wiąże się z powierzchnią materiału i wiadomo, że ma inną mobilność molekularną niż zwykła woda luzem, jak również niższą temperaturę zamarzania.
Wcześniejsze badania Kao oraz badania przeprowadzone za pomocą różnych technik pomiarowych*6 wykazały, że pewna ilość wody związanej jest adsorbowana na powierzchni naturalnie wysuszonej bawełny,*7 *8 przy czym woda związana wykazuje unikalne właściwości różniące się od zwykłej wody. Na podstawie tych wyników Kao zaproponował następujący model*4 : Bawełna wykazuje sztywność, gdy jest naturalnie suszona po zmoczeniu, ponieważ związana woda zaadsorbowana na powierzchni pojedynczych włókien bawełny powoduje sieciowanie poprzez "adhezję kapilarną "*9.
Jednak nie wyjaśniono, w jaki sposób związana woda tworzy się na powierzchni bawełny, dlaczego występuje adhezja kapilarna, jaką rolę odgrywa w sieciowaniu i czy wykazuje inne właściwości różniące się od zwykłej wody. Dzięki zaangażowaniu dr Ken-ichiro Muraty, adiunkta w Instytucie Nauki o Niskich Temperaturach Uniwersytetu Hokkaido, który prowadzi nowatorskie badania nad specjalnym stanem wody na powierzchniach i w miejscach styku z materiałami, do zbadania modelu zastosowano bardziej bezpośrednią technikę na poziomie molekularnym.

*6 Pomiary relaksacji dielektrycznej, kalorymetria, pomiary rozpraszania neuronów, itp.
*7 Około 8% zawartości wody znajduje się na powierzchni bawełny (w temperaturze pokojowej 25˚C i wilgotności 80%).
*Bawełna jest materiałem wysoce hydrofilowym, posiadającym w strukturze molekularnej grupę hydroksylową, zwaną celulozą. Uważa się, że woda pozostała po naturalnym suszeniu jest silnie adsorbowana w bawełnie.
*9 Zjawisko, które powoduje, że adhezja jest pośredniczona przez ciecz umieszczoną pomiędzy powierzchniami stałymi.
Rezultaty:

W niniejszej pracy, w celu uzyskania bezpośrednich obserwacji związanej wody na powierzchniach bawełny, zastosowano AFM i AFM-IR, tę ostatnią najnowocześniejszą technikę analizy powierzchni, która umożliwia bardzo precyzyjne obserwacje powierzchni próbki i uzyskanie informacji o jej składzie chemicznym/stanie (widma absorpcyjne w podczerwieni).
1. Obserwacje AFM
Podczas zbliżania i oddalania sondy od powierzchni bawełny zaobserwowano dużą siłę działającą od strony bawełny z oderwaniem. Zjawisko to świadczy o istnieniu "lepkiej substancji" na powierzchni bawełny, ponieważ takie zachowanie adhezyjne nie może być wyjaśnione jedynie obecnością celulozy, głównego składnika bawełny. Sugeruje to, że taka lepko związana woda jest zaangażowana w adhezję kapilarną pojedynczych włókien.
2. Obserwacje AFM-IR
Widma AFM-IR naturalnie wysuszonych powierzchni bawełny wykazały dwa piki odpowiadające trybowi drgań cząsteczek wody (rys. 1). Z drugiej strony, na powierzchni bawełny po całkowitym usunięciu wody nie zaobserwowano żadnych pików. Wskazuje to, że piki te pochodzą od związanej wody istniejącej na powierzchni. Co więcej, widma, wykazujące dwa wyraźne piki, znacznie różniły się od widm zwykłej wody i uważa się, że ujawniają one związaną wodę w dwóch różnych stanach na powierzchni, prawdopodobnie odpowiadających związanej wodzie odpowiednio na granicy faz powietrze-woda i woda-bawełna.
Jak wykazały wyniki przedstawione w punktach 1 i 2 powyżej, doświadczalnie wyjaśniono, że związana woda jest widoczna na powierzchni bawełny i przyczynia się do właściwości dynamicznych, takich jak sztywność, w której pośredniczy przyleganie kapilarne. Ponadto, sama woda związana przejawiała unikalny stan wiązania wodorowego, odmienny od zwykłej wody.
Perspektywy na przyszłość

W niniejszej pracy, poprzez skupienie się na kapilarnej adhezji wody związanej, ujawniono pochodzenie zjawiska twardnienia bawełny podczas naturalnego suszenia po zmoczeniu. Wyniki te wyjaśniły, że stan wody związanej (stan wiązania wodorowego) różni się od stanu zwykłej wody, ze względu na wpływ powierzchni bawełny. Spekulowano więc, że adhezja między pojedynczymi włóknami i lepkość wody związanej są głęboko zaangażowane nie tylko w zjawisko twardnienia, ale także w dynamiczne właściwości bawełny związane z odczuciem dotyku na skórze.
Ponadto, z aplikacyjnego punktu widzenia, wyniki niniejszej pracy, uzyskane dzięki wyjaśnieniu części mechanizmu zjawiska twardnienia bawełny, sugerują nową perspektywę dotyczącą tego, "jak poprawić działanie zmiękczaczy do tkanin".
W ostatnim czasie, wraz z postępem w różnorodnych technikach analizy powierzchniowej, szczególną uwagę zwrócono na specyficzną strukturę i funkcję "wody na powierzchni materiału". Wyniki uzyskane w niniejszej pracy dostarczają skutecznych wskazówek dla lepszego zrozumienia tego zjawiska.

źródło: https://www.kao.com/global/en/news/rd/2020/20200327-002/
#badanianaukowe #ciekawostki #nauka #gruparatowaniapoziomu

Nie wybrano właściwego typu