這種材料，竟能吸收比自身重百倍甚至上千倍的水！

作者: 鄭素萍（中國化學(xué)會）

邱東（中國科學(xué)院化學(xué)研究所）

來源：《知識就是力量》雜志

你看過這樣的魔術(shù)嗎？魔術(shù)師在杯子中倒入水，然后將杯底朝上，杯子里的水竟然不會流下來。這個小魔術(shù)叫作“消失的水” ，那么這個讓水消失的魔術(shù)原理究竟是什么？

驚奇！能吸比自身重千倍的水

魔術(shù)中杯子里的水到底去哪了呢？原來杯子里隱藏著一種粉末，叫作高吸水性樹脂（SAPs），這是一種新型功能高分子材料，能吸收比自身重百倍甚至上千倍的水，當(dāng)它吸水膨脹后與水發(fā)生凝固，成為一種水凝膠，鎖水能力超強，因此水無法流出，即使是用力擠壓也不會漏水。

高吸水性樹脂

紙巾、毛巾和海綿等都是日常生活中用來吸水的材料，它們最多能吸自身重量20倍左右的水，而且保水性不強，用力擠壓就可把水?dāng)D出。在高吸水性樹脂面前，它們可都是小巫見大巫。與紙張、棉花和海綿等材料類似，高吸水性樹脂的吸水能力也主要通過羧基、羥基等親水性基因與水分子間強烈的氫鍵作用來實現(xiàn)，不同的是后者可利用的親水性基因含量大大高于前者，且分子鏈網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可高度溶脹，進一步將水分子束縛于其中，從而獲得了超強的吸水性能。

高吸水性樹脂從何而來？

高吸水性樹脂和一顆土豆有什么關(guān)系？其實，土豆中富含的淀粉就可以是高吸水性樹脂的來源。淀粉一般不溶于水，但在水中經(jīng)加熱后，破壞了結(jié)晶區(qū)弱的氫鍵，結(jié)晶區(qū)消失，開始水合膨脹，黏度增加，這種現(xiàn)象稱為糊化。

土豆淀粉可以用來制備高吸水性樹脂

制備高吸水性樹脂的淀粉主要采用玉米淀粉和小麥淀粉，也可采用土豆、紅薯和大米的淀粉為原料。科技總是在根據(jù)人類生活需要不斷發(fā)展，從淀粉制備高吸水樹脂的方法不斷得到改進，現(xiàn)在已經(jīng)成為一種比較成熟便捷的技術(shù)。不單是淀粉，纖維素、殼聚糖等天然高分子都是良好的SAPs來源。

聚丙烯酸的分子結(jié)構(gòu)示意圖

高吸水性樹脂還有一個重要的來源是合成聚合物，如聚丙烯酸（PAA）、聚丙烯酰胺（PAM）和聚乙烯醇（PVA）等。聚丙烯酸和聚丙烯酸鈉高吸水性樹脂是最廣泛使用的保水劑，它們具有優(yōu)異的吸水性和保水能力。聚乙烯醇（PVA）具有與聚丙烯酸相似的吸水性，還可以在細菌酶的幫助下降解，大大提高了它的應(yīng)用價值。

總體來說，纖維素、淀粉、殼聚糖等天然高吸水性樹脂在降解性和生物相容性方面具有優(yōu)勢，可避免造成環(huán)境污染。但它們的提取和改性過程比較復(fù)雜，生產(chǎn)成本比一些合成聚合物高。合成高吸水性樹脂通常比天然聚合物具有成本低、使用壽命長和吸水率高等優(yōu)點，但降解難度大，容易造成環(huán)境污染。因此，科學(xué)家不斷探索，試圖將天然聚合物與合成聚合物的優(yōu)點相結(jié)合，以獲得更好的應(yīng)用前景。

隨著物流業(yè)的興起，越來越多的生鮮產(chǎn)品在包裝上應(yīng)用了高吸水性樹脂

高吸水性樹脂的其他妙用？

基于獨特的強吸水高保水的特性，高吸水性樹脂在很多領(lǐng)域都找到了用武之地。在日常生活和衛(wèi)生用品中，如嬰兒一次性尿布、婦女衛(wèi)生用品最為常見，還可以作為增稠劑添加到化妝品中。在食品工業(yè)中，尤其是食品保鮮上，高吸水性樹脂可是大大優(yōu)于聚烯烴薄膜的。在生鮮運輸過程中，保鮮冰袋包裝里面實際上也使用了高吸水性樹脂。目前冰袋的內(nèi)容物雖然無毒，對環(huán)境影響相對較小，但它們大量進入環(huán)境后，會破壞土壤和水體的微生態(tài)，從而影響其中的生物和生態(tài)系統(tǒng)。現(xiàn)階段，該材料目前與生活垃圾一起處置，但焚燒處理時需要考慮很多問題。

用高吸水性樹脂作為鮮花店插花的基材，可讓鮮花保鮮長達5天

此外，高吸水性樹脂在農(nóng)業(yè)上大有可為。水資源短缺和干旱導(dǎo)致土壤荒漠化和鹽漬化對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食安全構(gòu)成挑戰(zhàn)。因此，提高水的利用效率在農(nóng)業(yè)中具有重要意義。由于具有超高的吸水和保水能力，高吸水性樹脂可用于有效改善農(nóng)業(yè)用水的利用率，保持土壤水分和減少灌溉用水量。

令人稱奇的魔術(shù)背后是科學(xué)原理的運用，我們被那些奇妙變幻迷住雙眼、驚呼雀躍的快樂時刻背后是科學(xué)家們的探索與鉆研。魔術(shù)告訴我們，生命可以充滿驚奇和夢想，而科學(xué)告訴我們，夢想終會變成現(xiàn)實。

（責(zé)任編輯 / 王佳穎 美術(shù)編輯 / 周游）

來源：知識就是力量