Выстиранное хлопковое полотенце, если сушить его на воздухе, часто становится грубым и колючим. Причина не в загрязнении и не в остатках моющего средства, а в том, как вода ведет себя на молекулярном уровне. Исследователи из компании Kao и университета Хоккайдо смогли напрямую наблюдать тонкую пленку так называемой связанной воды, которая остается на хлопковых волокнах после высыхания и соединяет их друг с другом. Обычными методами разглядеть эту пленку было невозможно из-за ее слишком малой толщины.
К такому результату привела работа, выполненная при участии производителя кондиционеров для белья. Производителю было важно понять, с чем именно приходится иметь дело его продукции. Сам бытовой эффект хорошо известен давно: без кондиционера полотенце после стирки и сушки на веревке становится жестким, словно его слегка проклеили. Однако внятного объяснения этому явлению до сих пор не находилось.
Разгадку связали с понятием связанной воды. Когда ткань высыхает, основная масса влаги испаряется, но часть молекул удерживается целлюлозой, из которой состоят хлопковые волокна. Такая вода заметно отличается от обычной: ее молекулы менее подвижны, а замерзает она при температуре ниже нуля. Еще в 2011 году появилась гипотеза, объяснявшая жесткость именно этим. Нить в ткани скручена из множества отдельных волокон, которые во влажном состоянии свободно скользят друг относительно друга. Когда вода уходит, в местах соприкосновения волокон остаются мостики связанной воды. Они стягивают волокна за счет капиллярного сцепления — той же силы, что не дает легко разъединить два мокрых стекла или заставляет влажный песок сохранять форму замка. Внутри нити образуется множество перекрестных сшивок, ткань утрачивает подвижность и на ощупь становится жесткой. Речь не о загрязнении и не о порошке: полотенце чистое, просто волокна связаны водой, которая не испарилась. Долгое время эта картина оставалась лишь стройной гипотезой — слой связанной воды слишком тонок для оптического микроскопа, а его сигнал стандартными методами трудно отличить от сигнала обычной влаги.
Увидеть воду удалось с помощью двух инструментов. Первый из них — атомно-силовой микроскоп (АСМ). Над поверхностью проводят иглу с острием толщиной в несколько атомов, и прибор регистрирует силы между атомами острия и образца. Так строится карта рельефа с точностью до отдельных атомов. Второй метод — АСМ-ИК-спектроскопия — добавляет к этому химический анализ. Поверхность облучают инфракрасным лазером с перестраиваемой длиной волны, участок, поглотивший свет, немного нагревается и расширяется, а это расширение улавливает та же игла. Перебирая длины волн, ученые получают инфракрасный спектр буквально из одной точки. Так исследователи напрямую увидели связанную воду на поверхности одиночного хлопкового волокна, высушенного естественным образом. Спектры показали, что водородные связи в этой воде устроены не так, как в обычной. Колебания OH-групп молекул воды разделились на два независимых режима: один определяется границей воды с воздухом, который ведет себя как гидрофобная поверхность, другой — границей воды с целлюлозой, поверхностью гидрофильной. В тонкой пленке у молекулы воды один бок обращен к волокну, другой — в воздух, и эти стороны колеблются по-разному. В объемной воде молекула окружена соседями со всех сторон, поэтому такого разделения не возникает.
Авторы работы делают осторожные выводы. Они подчеркивают, что обнаруженные особенности лишь указывают на возможную связь между микроскопическим строением связанной воды и механическим поведением ткани. Прямого измерения того, насколько каждый водяной мостик усиливает жесткость, в исследовании нет.
Устоявшееся объяснение действия кондиционеров для белья сводится к снижению трения между волокнами: средство покрывает нить скользким слоем, и волокнам легче двигаться. Новая работа предлагает дополнительный взгляд: если жесткость создают водяные сшивки, кондиционер может влиять и на них. Как именно — в статье не разбирается, это отправная точка для будущих исследований, а не готовое доказательство. К тому же работа выполнена при участии производителя кондиционеров, хотя авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Статья прошла рецензирование и опубликована в открытом доступе. Сам механизм жесткости от этого не меняется, но выводам о способах борьбы с ней стоит доверять как научному контексту, а не как рекомендации покупать конкретный продукт.
Важно отметить, что исследование описывает конкретную ситуацию: хлопок стирали без кондиционера и сушили на воздухе естественным путем. Именно для этих условий показано наличие связанной воды на волокне. Что происходит с водяными мостиками при сушке в машине, сильном отжиме, в жесткой или мягкой воде, при разной дозе порошка, не проверялось. Поэтому из работы нельзя вывести универсальный домашний рецепт мягкого полотенца — любые советы такого рода были бы догадками по аналогии, а не результатом исследования.
Зато работа отвечает на вопрос, который многие задавали себе, снимая с веревки полотенце-доску: жесткость — не признак плохой стирки и не налет на ткани. Это физика тончайшего слоя воды на целлюлозе, который удерживает волокна вместе. Авторы отмечают, что вода на поверхностях материалов сейчас активно изучается в самых разных областях — от биологии до микрофлюидики, и обычное хлопковое полотенце оказалось удобным объектом для этой большой темы.
