互聯(lián)網(wǎng)上充滿了人們玩白色粘液的樂趣視頻。它幾乎看起來像是在水上行走。但當(dāng)他們靜止不動(dòng)時(shí)，他們慢慢開始下沉。所討論的粘液通常是包含玉米淀粉和水的濃縮懸浮液。雖然在Seuss博士的兒童書之后俗稱“oobleck”，但材料科學(xué)家使用術(shù)語“非牛頓流體”。與“正常”(牛頓)流體相反，非牛頓流體在受到大的快速變化的力作用時(shí)會(huì)變得更粘稠。在短暫的時(shí)刻，材料表現(xiàn)得像一個(gè)固體。但是，如果力恒定且較弱，則材料像普通液體一樣流動(dòng)。

“這種現(xiàn)象出現(xiàn)在所有具有高顆粒密度的懸浮液中，例如水泥，”蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院軟物與組裝界面教授Lucio Isa說。如果水泥通過施工現(xiàn)場(chǎng)的管道過快泵送，管道就會(huì)堵塞。

由于表面粗糙，摩擦力更高

這部分是由于懸浮液中固體顆粒的表面特征。“如果突然施加力，固體顆粒就不能足夠快地移開。相反，它們會(huì)相互接觸，相互摩擦并相互阻擋，”Isa解釋道。顆粒表面越粗糙，摩擦力越大。

研究人員使用這些特性以有針對(duì)性的方式控制稠密懸浮液中粘度的突然增加。Isa和他的同事們使用具有粗糙表面的均勻的微米級(jí)硅酸鹽顆粒“而不是玉米淀粉”。這些顆?？雌饋硐裎⑿〉母才枳?，并且在早期的研究中已經(jīng)被研究人員使用(參見2017年6月14日的ETH新聞)。在Isa和ETH教授Nicholas Spencer工作的博士生Chiao-Peng Hsu開發(fā)了一種方法，可以快速生成這些具有不同表面粗糙度的樹莓形顆粒庫。

盡管顆粒較少，粘度較高

研究人員使用這些顆粒來制造懸浮液，他們可以測(cè)試應(yīng)力下粘度的突然增加。結(jié)果表明，顆粒越粗糙，就越少需要添加到懸浮液中以實(shí)現(xiàn)突然凝固。相反，如果使用光滑的顆粒，在研究人員能夠觀察到突然增厚之前，必須在懸浮液中加入更多的顆粒。

研究人員表明，使用粗糙顆?？梢怨?jié)省材料：它們?cè)趹腋∫褐械目傮w積部分可以大大降低，以產(chǎn)生相同的效果。

當(dāng)研究人員將粗糙和光滑的顆?；旌显谝粋€(gè)懸浮液中時(shí)，固化也比僅有光滑顆粒的懸浮液更早發(fā)生。ETH的研究人員發(fā)現(xiàn)，混合物中只有6%的光滑顆粒足以顯著降低粘度的增加。“就像混合球軸承和齒輪一樣，”Isa說。“齒輪相對(duì)容易地連接在一起，形成一個(gè)穩(wěn)定的鏈條，但滾珠軸承很容易打破這些鏈條并實(shí)現(xiàn)流動(dòng)。”

在懸臂上種植“覆盆子”

為了研究單個(gè)粒子之間的摩擦，Hsu和他的同事Shivaprakash Ramakrishna在原子力顯微鏡的懸臂上附著了一個(gè)半微米的粒子。然后研究人員通過將懸臂移動(dòng)幾百納米，同時(shí)測(cè)量?jī)A斜角度，將粒子移動(dòng)到各種粗糙模型表面。摩擦越強(qiáng)，角度越大。“在懸臂上使用這種粒子非常困難，因?yàn)槌叽绶浅Ｐ。?rdquo;Hsu強(qiáng)調(diào)說。“我們是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的團(tuán)體。”

在防彈背心中的應(yīng)用

結(jié)果是否將集成到實(shí)際應(yīng)用中還有待觀察。該研究主要是純粹的研究。“我們的目標(biāo)是調(diào)查我們可以改變納米和微觀結(jié)構(gòu)的方式，以便在宏觀層面上影響材料行為，我們成功了，”Isa說。該研究結(jié)果可用于日常應(yīng)用，如水泥。“通過調(diào)整顆粒表面并以與我們的實(shí)驗(yàn)類似的方式將它們混合到水泥中，可以優(yōu)化水泥的流動(dòng)特性。”

但具有突然凝固特性的粘性懸浮液也可用于其他目的; 例如，美國(guó)制造商使用粘性懸浮液來開發(fā)防彈和防刺穿安全背心。“我們的研究可以幫助改善這些應(yīng)用，”Isa說。