在尿不濕普及之前，尿布是每個嬰兒的必備品，人們?yōu)樾雰簜儨蕚淞宋寤ò碎T的尿布，并需要花費大量時間清洗。尿不濕這種“一次性”用品的出現(xiàn)，為家庭帶來了方便，解決了清洗尿布帶來的煩惱。

過去晾曬尿布的場面往往被戲稱為“萬國旗”(圖片來自網(wǎng)絡)

現(xiàn)在嬰兒們用上了“尿不濕”(圖片來自網(wǎng)絡)

　　是誰發(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用的案例，美國能源部的粒子物理學線上電子刊物網(wǎng)站《Symmetry》專門刊文“Accelerators help keep baby dry”作了報道。

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

　　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60年代初，蘇聯(lián)及美國都發(fā)生過宇航員已進入宇宙飛船但在長時間等待發(fā)射期間遇到內(nèi)急無法排尿的尷尬場面。華裔科學家唐鑫源當時出任美國太空總署太空飛行中心材料研究所所長(研究所主要從事太空應用材料的研究)。

　　唐鑫源領導的團隊在20世紀80年代完成了對宇航員太空服的改進，其中包括發(fā)明了具有強力吸水性能的宇航員專用紙尿褲(吸水量可達到1400毫升)，宇航員們再也不用為等待宇宙飛船發(fā)射時的內(nèi)急為難了。

　　嬰兒用的一次性尿布早在20世紀40年代末市場上就有銷售，但那時的一次性尿布吸水率不高，不很好用。專為宇航員開發(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。這種新型材料的吸水優(yōu)勢顯露出極大的商機，只是當時這種材料的制作成本很高，要想得到更廣泛的應用必須改進工藝并大大降低成本。

　　粒子加速器的功勞

　　20世紀90年代起，美國道氏化學公司(DOW Chemical Company)開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，化學家們需要了解這種材料更微觀的細節(jié)。至關(guān)重要的是：要弄明白這種材料在吸納水分時到底發(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勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)找到了合作伙伴，他們使用了新的研究手段：在LBNL的先進光源(ALS)上，最前沿的X射線顯微技術(shù)可讓化學家們以令人驚奇的細節(jié)觀察、了解這種高吸水性聚合物材料的復雜結(jié)構(gòu)。

　　ALS是世界上紫外線及軟X射線能區(qū)的第一臺第三代同步輻射光源，由直線加速器、增強器、儲存環(huán)、束流引出、光束線、實驗站組成。當電子束團被磁鐵導入圓形軌道時，這些束團以接近光的速度運行，沿切線方向發(fā)出高亮度的紫外線和X射線光，通過光束線分別輸送到各個實驗站。

ALS全景(圖片來自http://www.lbl.gov/)

ALS的直線加速器與增強器(圖片來自http://www.lbl.gov/)

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

ALS的光束線分布(圖片來自http://www.lbl.gov/)

ALS的實驗區(qū)與實驗站(圖片來自http://www.lbl.gov/)

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

　　道氏公司帶了各種樣品到ALS的實驗站進行分析，先進的X射線顯微技術(shù)使化學家們第一次看到了高吸水性聚合物材料吸納水分時的精細結(jié)構(gòu)。

　　高吸水性聚合物由長鏈分子組成，外形呈球狀(直徑為亞毫米量級)，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產(chǎn)生化學反應，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)的微觀細節(jié)，如殼層內(nèi)外交聯(lián)的變化等確實很難被觀察到，但研究團隊應用X射線顯微技術(shù)(NEXAFS光譜顯微鏡)能很好地識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程的效果和改進工藝流程的方法。

研究團隊發(fā)表的實驗成果(圖片來自網(wǎng)絡)

　　他們的實驗如此成功，道氏公司利用在ALS得到的實驗結(jié)果不斷調(diào)整和改進配方，為制造高吸水性聚合物材料的工廠設計了新的生產(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、無毒，尿不濕僅是其應用的一個例子。掌握了這種材料的精細結(jié)構(gòu)，科學家們可以根據(jù)不同的應用需要調(diào)整配方，使其在各類過濾裝置、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)生核災難時，為阻止2號反應堆高放射性物的泄漏就用上了這種超吸收聚合物。當然，科學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

　　初衷是為科學研究而發(fā)展的各種高新技術(shù)對人類的健康、財富和安全都會產(chǎn)生極大的影響，而且很可能是在人們根本不會想到的領域扮演起關(guān)鍵的角色，例如已走進千家萬戶的尿不濕。據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計，全世界嬰兒用尿不濕的市場價值每年已達數(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們都應感謝粒子加速器為此作出的貢獻。

　　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“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、美國先進光源ALS

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