对类欧不裂流体的新理解有助于智能材料设计

如果你以正确的比例混合玉米淀粉和水，你会得到看起来不太液态但也不太固态的东西。未接触时，欧不裂像液体一样流动和沉淀，但当你试图拿起它或用勺子搅拌它时，它就会变硬。欧不裂和其他非牛顿流体(包括橡皮泥、流沙、油漆和酸奶)的特性在应力或压力下会发生变化，科学家们长期以来一直在努力证明其确切原因。

现在，芝加哥大学普利兹克分子工程学院 (PME) 的研究人员使用压电纳米颗粒来研究非牛顿流体的基础物理，压电纳米颗粒本身会随着压力而变化。研究小组发现，颗粒之间的摩擦在导致材料从流体转变为更固体结构的过程中发挥着关键作用。

“这不仅回答了有关这些材料的物理起源的长期基本问题，而且为设计具有实际应用的新型非牛顿流体打开了大门，”巴里·L·麦克莱恩分子工程教授斯图尔特·罗万(Stuart Rowan)说。 -该论文的高级作者，发表在《美国国家科学院院刊》上。

这些潜在的应用包括不会结块的油漆、摇动时会硬化成模具的液体，以及受到撞击时会变硬的可穿戴防护装备。

压电探头

非牛顿流体的一个特点是，当材料受到应力时，它们的粘度(它们的稠度)会发生巨大变化。对于某些材料来说，这意味着在应力作用下会变薄。摇动番茄酱瓶可以使调味品更加容易倾倒;酸奶、蛋黄酱和牙膏在容器中保持其形状，但在使用时变得更像液体。

但其他材料，如欧不裂(一种浓缩颗粒悬浮液)，其行为恰恰相反：它在被操纵时感觉是固体，但在放置时会塌陷成水坑。

科学家们提出了关于为什么浓缩颗粒悬浮液在受到不同方向作用的多种力的剪切时会发生变化的假设。这些假设主要涉及构成材料的分子和粒子如何在不同条件下以不同方式相互作用，但每个假设都很难证明。

这篇新论文的第一作者、博士后学者 Hojin Kim 解释说：“为了理解这些浓缩颗粒悬浮液，我们希望能够观察纳米级结构，但颗粒非常拥挤在一起，以至于对这些结构进行成像非常困难。” 。

为了克服这一挑战，Kim 与 Rowan、PME 教授兼压电化学专家 Aaron Esser-Kahn 以及 Sewell Avery 杰出物理学教授 Heinrich Jaeger 合作。该团队开发了一种技术，可以根据施加在其上的剪切力来测量电导的变化。然后，他们将纳米颗粒悬浮在液体中，其浓度使其以与欧不裂相同的方式表现出非牛顿特性。

研究人员向液体的顶部和底部施加剪切力，并同时测量由此产生的粘度和电信号的变化。这让他们能够确定当粒子从液体状物质转变为固体状物质时，它们是如何相互作用的。

“我们发现粒子之间的摩擦对于这种转变至关重要，”金说。“在这种浓缩的颗粒溶液中，当摩擦力达到一定程度时，就会出现一个临界点，粘度会突然增加。”

一系列应用

了解在浓缩颗粒溶液中起作用的物理力是能够在实验室中设计新的非牛顿流体的第一步。有一天，这些工程材料可以具有定制的特性，让科学家可以通过压力控制它们的粘度。在某些情况下，这可能会减少油漆和混凝土等液体的结块和堵塞。在其他情况下，这可能意味着在需要时有目的地对材料进行硬化。

“对于任何应用，我们希望最终能够确定溶剂和颗粒以及剪切条件的理想组合，以获得我们想要的性能，”Kim 说。“这篇论文可能看起来像是非常基础的研究，但实际上，非牛顿流体无处不在，因此它有很多应用。”

目前，普利兹克分子工程和芝加哥大学的研究人员正计划利用纳米颗粒悬浮液的应力诱导压电活性来设计新的自适应和响应材料，例如在机械力作用下变得更硬的材料。