關於毛巾與水的研究
日本花王公司和北海道大學進行的一項新研究表明，這一過程可能是因為結合水表現出瞭與普通水不同的獨特氫鍵結合狀態導致的。
自然幹燥後的棉束變得僵硬，好像粘在一起（左圖），而在洗衣機中通過強制排水和物理攪動（例如搖動）幹燥的棉束保持柔韌性。
晾乾的純棉毛巾變硬
或許你在生活中經常碰到這種現象：洗好後經過自然晾幹的純棉毛巾會變得像紙板一樣硬，大大降低瞭使用感。你可能會覺得這是幹燥環境中的陽光或者空氣在“作祟”，認為是它們帶走瞭毛巾中的所有水分。實際上，當我們通過洗衣機物理攪拌強行除去純棉毛巾中的水時，毛巾反而會展示出原始的柔韌性並再次出現蓬松感。
在專註於衣物清潔領域的日本花王公司的眼中，這可能不單單是一個“熟悉”的生活現象。近日，花王公司和北海道大學科研團隊在《物理化學雜志》C刊上發表論文《原子力顯微鏡和原子力顯微鏡-紅外光譜法直接觀察棉表面的結合水》（Direct Observation of Bound Water on Cotton Surfaces by Atomic Force Microscopy and Atomic Force Microscopy–Infrared Spectroscopy），首次直接觀察到瞭棉制品表面纖維間的結合水，為結合水導致單根纖維交聯從而引發硬化的猜想提供瞭有力的證據。
研究還發現，結合水的氫鍵狀態與液態水的氫鍵狀態明顯不同：OH基團有兩種彼此不同的拉伸模式，這是由於空氣-水（疏水）界面和水-纖維素（親水）界面的作用引起的。
研究者認為，這一硬化過程背後的機制可以為織物柔軟劑的開發提供新的思路。
獨特的“結合水”
花王公司研究小組首先針對棉制品表面的硬化過程提出瞭一種理論模型：在自然幹燥過程中，棉纖維會發生由水的表面張力（0.078 N/m）引起的纖維之間的毛細作用力，導致單纖維之間的距離隨著幹燥過程中水分的減少而趨於最小。他們認為在棉制品表面存在一種不是纖維素的粘性物質——粘性結合水，從而引起毛細管粘附現象。在這一過程中，液體夾在固體表面之間會導致其粘附。因此，他們懷疑這種由表面結合水導致的纖維交聯機制在調節棉制品的硬度中起瞭重要作用。
棉制品表面上的結合水通過毛細管粘附力使單根纖維交聯。圖片來源：J.Phys.Chem.C 2020，124，7，4196-4201
盡管花王公司的研究人員提出瞭結合水參與棉制品表面硬化過程的模型，但是到目前為止尚未直接觀察到結合水的存在。為瞭解決這個難題，北海道大學的村田健一郎（Ken-ichiro Murata）研究小組也加入瞭這項研究。
他們采用瞭原子力顯微鏡（AFM）和基於原子力顯微鏡的紅外光譜（AFM-IR）的特殊分析技術，在分子水平上直接觀察棉制品表面結合水的行為。在實驗中，他們觀察到天然幹燥的棉制品表面的AFM-IR光譜顯示兩個峰值，證明瞭結合水的存在。另一方面，完全除去棉制品表面上的水分後未觀察到峰。北海道大學的村田健一郎教授說：“實驗表明，結合水在棉制品表面上有助於某些動態特性，例如毛細管粘附介導的剛度。”
氫鍵的兩種結合狀態
此外，在研究結合水的過程中，他們還有一個意外的發現：結合水的光譜不同於液態水和其他水相的光譜。事實上，結合水中OH基團的兩種拉伸模式明顯不同，與液態水的光譜呈寬梯形相反，這表明結合水的氫鍵狀態受與纖維素表面相互作用的影響。
兩個峰的光譜表明結合水分別在空氣-水界面和水-棉界面處呈現出兩種不同的氫鍵狀態，一類是棉纖維-水界面上結合水上的OH基團與纖維素上羥基的結合（較高的波數側），一類是水-空氣界面上由於疏水作用水分子之間形成牢固的氫鍵（較低的波數側）。
同時作者也指出，為瞭更加有說服力地支持他們的對結氫鍵特殊形式的推斷，未來仍需要進行基於水-纖維素界面進行振動模式的數值模擬分析。
來自花王公司研發團隊的井垣隆子（Takako Igarashi）補充說：“之前，普遍認為織物柔軟劑可減少棉纖維之間的摩擦。但是，我們的結果表明結合水參與瞭棉制品的硬化過程，為織物柔軟劑的工作原理提供瞭新的見解，並可以幫助我們開發出更好的試劑、配方和系統。”