纯棉毛巾变硬，柔韧性和蓬松感是关键！

于是，大量的生活窍门应运而生——把洗好的米放在水里煮，用白醋浸泡，甚至用微波炉加热。

但没用过几次的毛巾自然干后就会变硬。

事实上，日本花王株式会社（Kao）和北海道大学（）的研究人员也针对这一现象进行了专门研究。 他们认为，一种不具有与普通水不同的氢键状态的“结合水”（Bound Water）会影响毛巾原有的柔韧性和蓬松度。

2020年初，研究团队将这一研究成果在线发表在《物理化学杂志》上。 论文题目为《Bound Water on by Force and Force——（基于原子力显微镜和原子力显微镜-红外光谱对表面结合水的直接观察）》。

纤维表面的结合水影响毛巾的挺度

科学家们总是对周围的事物感到好奇。

为了找出答案，研究人员从纯棉毛巾本身的材质入手——纯棉毛巾，顾名思义，主要成分是棉花。 而棉花也被称为棉纤维，所以你想要的答案可能就藏在纤维里。

研究人员针对毛巾变硬的现象提出了一个理论模型。

根据模型，棉材料的柔软度和硬度是由纤维交织形成的网络决定的，而影响纤维网络的是水在纤维素表面的毛细管粘附力。

具体来说，当毛巾自然干燥时，结合水的表面张力（0.078N/m）会引起纤维之间的毛细作用力。 因此，在干燥过程中含水量不断减少，纤维之间的距离也增加。 越接近。

但水分的持续减少并不意味着完全蒸发。 相反，一些水不仅残留在纤维内部，而且还残留在纤维表面，但这里所说的水（结合水）不再是我们通常意义上的水（普通水）。 棉纤维表面的结合水影响毛巾的挺度。

下图a和b是毛巾自然晾干后，经过洗涤、甩干等一系列操作后的状态（想象一下洗衣机是如何工作的）。 从图片上可以想象，a是比较硬的，就像是被晒干了一样。 黏; 而b则更柔软、更宽松。

值得一提的是，日本目前采用的面料评价体系是KES-FB，因此在本次研究中，研究人员也是基于该体系进行的。 图c为使用KES-FB对上述两种毛巾的弯曲力、柔软度和硬度的评价。 该评估再次表明，棉纤维由于结合水的存在而弯曲，从而从其连接处分离。

为了验证这一发现，研究人员尝试通过加热自然干燥的毛巾来人为地去除结合水。 不出所料，毛巾又恢复了原来的柔韧性和蓬松度。

结合水的发现是通过原子力显微镜（Force，AFM）获得的。

所谓原子力显微镜，其实是一种专门研究固体材料表面结构的分析仪器。 该仪器旨在通过检测样品表面和微型力敏感元件之间极弱的原子间相互作用来研究物质的表面结构和性质。 利用该仪器，研究人员可以获得纳米分辨率的固体材料的表面形貌、结构和粗糙度等信息。

具有独特氢键的结合水

那么，什么是结合水呢？ 与普通水有何不同？

为了了解结合水的结构和性质，研究人员采用了基于原子力显微镜的红外光谱（AFM-IR）的特殊分析技术。 这项技术简单来说就是用可调节的红外激光照射样品表面，并利用原子力显微镜以悬臂梁测量样品表面的光热膨胀。

下图 a 是单根棉纤维的 AFM 图像。 图像上的五个彩色标记代表 AFM-IR 测量点。 下图b为湿度为50%时自然干燥（蓝线）和完全干燥（绿线）的毛巾的AFM-IR数据（实际上蓝线有两个明显的峰，但绿线没有，这再次证明了结合水的存在）。

值得一提的是，研究人员发现结合水与普通水的区别在于氢键（Bond）状态。

如果你还没有把知识还给老师，你可能还记得化学课上教过的由一个氢原子和一个氧原子组成的一价原子团-OH（羟基）。

研究人员认为，与液态水光谱的宽梯形形状相比，结合水中的OH基团的两种伸缩模式显着不同结合水，这表明结合水的氢键状态受到其与水的相互作用的影响。纤维表面。 由于空气-水（疏水）界面和水-纤维（亲水）界面的影响，结合水中存在两种不同的氢键状态。 一种是纤维-水界面上的结合水上的OH基团和纤维素上的OH基团。 基团的结合（较高波数侧），第二个是水-空气界面处的水分子之间的强氢键（较低波数侧）。

不过，研究团队目前并没有强有力的证据证明上述结合水的性质。