杨天予 清华大学附属中学G240436

洗碗等厨房清洁看似微不足道，却是每个家庭日常生活中不可或缺的一部分，不仅关系到清洁卫生，还关系到人们的心情和健康。其中包含着诸多科学问题。我们发现在洗碗时大量油脂很难洗净，但当加入一些碱粉如碳酸钠并加热时，就能将油脂快速洗去。在清洗水果时，加入点面粉并揉搓便能将水果洗得干干净净。这些看似不相关的事情，都涉及了共同的原理：即油水界面活性材料及对界面的操控。

一、原理

植物油是人类日常饮食生活中最常用的品种。植物的果实、种子、胚芽中都可以用来提取油脂，如豆油、花生油、玉米油、菜籽油等[1]。植物油中含有大量脂肪酸，主要为软脂酸、硬脂酸、油酸等[2]。脂肪酸含有由碳原子组成的长链，为亲油端（对水无亲和力，不溶于水或溶解度极低），用R基表示（图1），与油具有更好相溶性。脂肪酸在其端基还含有羧酸基团，尽管具有一定极性和亲水性，但也无法保证携带长碳链R在水里溶解。

图1. 脂肪酸结构式示意图。

二、反应原理

脂肪酸通过碱（如碳酸钠）处理，生成脂肪酸钠（R-COONa）盐，加热可促进该反应。在脂肪酸钠的分子结构中，含有亲油端和羧酸钠，羧酸钠容易在水里电离获得强极性和电荷特征，具有优异的水溶性及形成胶束能力。脂肪酸钠分子就像一个友谊使者（学名：表面活性剂），一手拉着油、一手拉着水，使油和水的边界（界面）不再明显。因此，油就能被拆分（乳化）成很多小油滴并分散在水里，很容易地被洗除。

图2. 化学反应示意图（波浪：亲油R基团，红圆：不易电离的羧酸基团，蓝圆：容易电离的羧酸根负离子）。

三、增强清洁效果的办法

除了上述原地形成表面活性分子实现清洁的传统办法外，种类丰富的表面活性剂已实现了工业生产，常被用于乳化油水混合物，形成水包油乳液。残留的油脂被表面活性剂乳化后，表面活性剂由于其双亲特性而稳定存在于油水界面，亲水基团指向水相、疏水基团指向油相，油相与界面共同组成了分散油滴。分散的油滴被水冲走，实现了清洁。但是，这种清洁方式存在两个明显问题：1、表面活性剂被水带入环境中，可能对生态造成不良影响，也不能重复利用；2、难以去除顽固油渍。

面对该难题，生物友好的淀粉粉末展现出其优势，兼具表面活性剂和固体颗粒特性（图3a）。固体颗粒在与残留油污特别是固体油渍作用时，因其强烈的摩擦作用和高的界面稳定性而形成皮克林乳液（图3b），实现深度清洁，为高级清洁剂研发提供了巨大机会。这与颗粒吸附、摩擦剥离以及对疏水残留的乳化/包裹共同有关。

图3. 淀粉颗粒用于脂溶性残留清洁：a) 颗粒的扫描电镜图；b) 颗粒乳化残留油相形成皮克林乳液而实现高效清洗[3]。

四、总结与展望

在使用分子表面活性剂或淀粉等颗粒单一组分时，其效果往往不如人意。协同使用上述两类材料将会带来巨大的增强清洁作用[4]。如果在颗粒的两侧分别改造赋予如分子表面活性剂的亲油基团和亲水基团，就可实现一颗粒多功能，将会具有更诱人的性能。如果颗粒具有磁性，该类固体表面活性材料就能为磁体吸附而不会流入环境，可分离出油脂加以利用，更重要的是颗粒可回收利用，有望降低环境负担。此外，如果颗粒如淀粉等是可食用的，将其改造为具有双亲特性，将会为我们提供更好的美味食品，如冰淇淋的口感更加顺滑、不易融化，蛋糕也将变得更加蓬松。这种颗粒或许在食品质构改良等方面具有潜在应用。我们要更加努力学习，增长才干，争取早日获得这类神奇的材料，在我们的生活乃至工业生产中发挥更大作用。

参考文献

1.宋心琦等．高中化学选修教材有机化学基础．北京．人民教育出版社．2007年．74.

2.龙春林，宋洪川编著．中国柴油植物．科学出版社．2012．61.

3. Xiaodong Lian, Zhen Wang, Hongguang Liao, Ruiting Li, Xinglei Tao, Yapei Wang. Langmuir 2019, 35, 13157.

4.熊远钦．精细化学品配方设计．北京市．化学工业出版社．2011．100.