研究洗发水，发了一篇TOP期刊论文！

人的头发结构因人而异。角质层粗糙度、表面下损伤和表面化学物质都会影响头发表面之间的摩擦程度。漂白剂会去除保护性的18-甲基二十烷酸（18-MEA）单层，该单层通过与头发角质层中半胱氨酸残基的硫酯键与头发底层的蛋白质层结合。通常情况下，这种脂肪酸层会使头发表面疏水。如果没有这个保护层，头发是亲水的，这会增加表面之间的摩擦系数并增加缠结发生的概率。然而，由于人类头发的自然变异性和微尺度粗糙度的影响，头发的摩擦是各向异性的，因此很难确定角质层粗糙度、亚表面损伤和表面化学修饰在多大程度上导致漂白后头发摩擦系数的增加。

近期，伦敦帝国理工学院Erik Weiand和James P. Ewen使用化学胶体探针原子力显微镜实验和非平衡分子动力学模拟研究了仿真头发表面之间的纳米级摩擦。作者通过实验测量了用十八烷基或磺酸基形成的单层官能化的水润滑二氧化硅表面之间的摩擦，其中十八烷基或磺酸盐基分别代表未漂白的头发和漂白后头发的表面。在模拟中，作者发现在较低的滑动速度下，观察到摩擦系数会随着损伤率的增加而增加，这与仿生表面的新实验以及之前关于真实毛发的实验一致。该结果表明，被漂白或被化学损伤的头发在纳米尺度的摩擦源于表面化学性质的改变，而不是粗糙度的变化或表面下的损伤。该工作提出的方法和仿生表面在实验和计算上都有助于从摩擦学性能的角度对头发护理配方进行筛选。该工作以题为“Nanoscale friction of biomimetic hair surfaces”的论文发表在最新一期《Nanoscale》(2区TOP）上。

非平衡分子动力学模拟

作者通过非平衡分子动力学模拟，监测具有不同化学损伤水平的粗粒模型头发表面之间的摩擦，其中指定数量的接枝十八烷基被磺酸基随机取代（图1）。模拟中摩擦的滑动速度依赖性可以使用应力增强热激活（SATA）模型来描述。随着模拟中损伤程度的增加，摩擦系数会逐渐增加，但其滑动速度依赖性会降低。在较低的滑动速度下，到摩擦系数随着损伤率单调增加。模拟结果表明，是改性的表面化学，而不是粗糙度的变化或表面下的损伤，导致了化学损伤后头发在纳米级尺度摩擦的增加。

图1. CG-MD配置：（a）干触点，（b）湿触点中的挤出系统以及用于（c）干触点和（d）湿触点的滑动触点。

在NEMD模拟中，作者测量了代表原始、原始、中等漂白和最终漂白头发的表面之间的摩擦系数。在大范围的滑动速度下，考虑了干接触和湿接触。对于高滑动速度下的干接触和湿接触，作者发现摩擦系数对滑动速度的相关性接近对数，这表明存在SATA过程。对于亲水性漂白头发，在所有滑动速度下都可观察到由于接触中存在水而导致摩擦系数CoF的减少。对于原始头发，在低滑动速度下，受限的水分子变得更像固体，这解释了与干燥系统相比，湿润系统的摩擦增加的原因（图2）。

图2. 干摩擦系数与滑动速度和化学损伤的相关性。

化学胶体探针原子力显微镜实验

作者在液体细胞中进行了CCP AFM实验，以研究在水润滑环境中仿真头发表面的摩擦。作者通过硅烷化硅片和具有十八烷基或磺酸根基团的二氧化硅胶体AFM探针来制备仿生毛发表面。实验基底的极小粗糙度使得能够在模拟中使用原子光滑的表面。实验结果显示，化学损伤或漂白后，头发与头发之间的粘附力降低。十八烷基系统在水中的较大粘附力是由于疏水相互作用。

高通量筛选方法

作者将头发分子模型与原子力显微镜（AFM）和分子动力学模拟相结合，可适用于各种滑动速度下的干燥和潮湿场景。除了AFM实验外，作者通过分子模拟扩展了纳米级摩擦的观测，从而建立了一个高通量系统，可以检测各种配方对头发摩擦系数的影响。该系统可以快速筛选不同的配方、分子、聚合物、表面活性剂，解释它们在摩擦和润湿性方面是如何发挥作用的。当将表面化学修饰作为一个变量进行分离时，理论数据表明，从原始头发模型转移到中等漂白头发模型时，摩擦系数增加了四倍。

图3. 干摩擦系数与湿摩擦系数之比与滑动速度、化学损伤的相关性。

小结：该工作使用NEMD模拟和化学胶体探针（CCP）AFM研究了仿真头发表面之间的动摩擦行为。在AFM实验中，作者研究了未漂白头发和漂白后头发的水润滑仿生表面的摩擦。在NEMD模拟中，作者采用了最近开发、验证的MARTINI框架内的粗粒（CG）模型。该工作表明，表面化学修饰控制着纳米级的摩擦。这项工作提供了一种在潮湿和干燥条件下筛选不同护发配方的基准技术，以及它们对摩擦系数的影响。该实验和模拟框架可用于高通量筛选头发护理配方的摩擦学性能。这项工作中提出的方法也有望适用于研究其他异质生物表面的纳米摩擦学，如天然纺织品和皮肤。

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文章链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/NR/d2nr05545g

来源：高分子科学前沿

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