Миття Рук та Піна від Мила: Фізика Отримання Чистоти

Чому вода сама по собі майже не працює

Чиста вода має поверхневий натяг близько 72 мілініутонів на метр — достатньо високий, щоб вона створювала краплю на шкірі замість того, щоб розтікатися у мікроскопічні борозна, волокна волосся, пори та складки шкіри, де ховається жирна пилюка та мікроорганізми. Жир шкіри (себум) також гідрофобний, як і ліпідна оболонка, що оточує багато вірусів, включаючи грип та коронавіруси. Вода та гідрофобні матеріали просто не змішуються, тому звичайне полоскання водою в основному переміщує бруд замість його видалення.

Поверхневольні речовини: молекули з подвійною особистістю

Мило діє завдяки тому, що його молекули амфіпатні: одна сторона – заряджена, водовідштовхувальна «голова», а інша – довгий гідрокарбоновий хвостоць, який уникає води та легко розчиняється в маслі. Коли мило опускають у воду, молекули спочатку збираються на повітряно-водяному інтерфейсі, знижуючи поверхневе напруження від 72 до 25–35 мН/м. По досягненні певної концентрації – критичної міцелярної концентрації (КМК) – додаткові молекули більше не можуть знаходитися на поверхні і замість цього самозбираються в сферичні кластери, які називаються міцелами, з хвостовими частинами всередині та «головами», спрямованими у воду.

Нижче КМК: молекули поверхневольної речовини утворюють лінійну структуру на повітряно-водяному інтерфейсі, поверхневе напруження падає На КМК: поверхня насичена, напруження стабілізується (~25–35 мН/м) Вище КМК: надлишкові молекули самозбираються в міцели, сфери з «головами» всередині та хвостовими частинами зовні, діаметр кількох нанометрів олія або покриття від вірусу затягується всередину Це також пояснює, як мило безпосередньо нейтралізує багатьох патогенів, а не просто їх змиває: поверхневольні хвостові частини впроваджуються в ліпідну оболонку вірусу або мембрану бактерії таким самим чином, як і в масляній краплі, розриваючи структуру. Для енделізованих вірусів цей єдиний етап часто достатньо для їх знищення.

below CMC:  surfactant molecules line the air-water surface, tension falls
at CMC:     surface is saturated, tension bottoms out (~25-35 mN/m)
above CMC:  excess molecules self-assemble into micelles
              tails-in, heads-out sphere, diameter a few nanometres
              an oil droplet or virus lipid coat gets pulled inside

Чому значення має піну, а не лише піна

Піна утворюється при терті, коли повітря захоплюється в мильну плівку, створюючи щільний мережевий комплекс тонких рідкісних перетинів (межі Плато) навколо тисяч маленьких бульбашок. Ця мережа значно збільшує поверхню покриття поверхнево активними речовинами, що контактують з вашою шкірою, набагато більше інтерфейсу для утворення міцел, ніж могла б запропонувати тонка рідка плівка. Механічне перемішування при створенні піни виконує справжню фізичну роботу: воно витягує частинки ґрунту з шкіри та підвішує їх у плівці, щоб їх можна було віднести з собою.

Техніка ВОЗ та її фізичні основи

Техніка гігієни рук, розроблена Всесвітньою організацією охорони здоров’я (ВОЗ), передбачає чіткий порядок дій: покладання рук на долоні, потім – між пальцями, від подушечок доків, потирання тильних сторін об протилесну долоню та вказівних пальців. Це пояснюється тим, що дослідження забруднення рук виявляють найвищі показники невидаленого бруду саме в цих зонах, коли люди миють недбало. Кожен етап застосовує силу тертя, яка знімає плівку піни та ґрунту з шкіри та формує контакт між свіжою мильною прозою та нею. Повне виконання вимоги в 20 секунд приблизно відповідає часу, необхідному для покриття кожної зони достатнім контактом, щоб поверхнево-активні молекули повністю змочили та обгорнули бруд перед тим, як він висохне на шкірі.

Промивання: від суспензії до каналізаційної труби

Утворення піни з воску та мила підтримує дисперсію ґрунту та патогенів у міцелях і пінній пленці; це не призводить до їхнього зникнення. Протікання води насправді видаляє їх, забезпечуючи рушійний потік, який виносить навантажену піну з шкіри та в каналізаційну трубу. Зануження у спокійну воду набагато менш ефективне, оскільки без потоку суспендованому матеріалу немає куди йти – воно просто відкладається, коли вода стоїть.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Hand Washing Foam Simulator і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.