油漆、洗碗精、番茄酱和血有什么共同点?它们都是由悬浮在载体液体中的粒子组成，当被搅拌或强迫时，它们会流动，但在静止状态下，它们仍然很厚，甚至像凝胶一样。
这种在复杂流体中非常有用的行为被称为剪切变稀:它们的粘度在混合过程中降低，在静止时增加。但是，当混合速度增加时——正如许多大型工业过程所要求的那样——某些流体可以通过剪切变薄区域，进入粘度急剧增加的区域，使它们难以或不可能搅拌。几十年来，工程师们一直在研究这种被称为剪切增厚的效应，以解决由这种现象引起的复杂生产问题。
现在，来自阿尔贡国家实验室的一组纳米科学家和物理学家通过研究x射线剪切增厚流体揭开了这个30年来的谜团。这项研究有望在3d打印、化工和生物医学领域得到应用。
上世纪80年代末，科学家理查德·l·霍夫曼(Richard L. Hoffman)提出了一个简单的模型:当流体低速混合时，悬浮粒子形成有序的层，可以轻易地相互滑动，促进流动。但当暴露在高速下，这些层就会变得混乱，互相绊倒，阻碍水流;这种流动类型的变化称为“从有序到无序的转变”。“这有点像一群混乱的人群，在拥挤的出口挤来挤去。
其他研究人员能够在许多流体中观察到这种行为，但不是在每一种剪切增稠流体中。因此，科学家们提出了其他几个模型来解释剪切增厚现象，但没有一个模型能解释霍夫曼的模型。
因此，问题仍然存在:粒子的有序到无序是如何与剪切增厚行为相关的?为什么它只发生在某些复杂的流体中?林晓敏(音译)说。她是一位纳米科学家，在芝加哥大学詹姆斯·弗兰克研究所(University of Chicago James Franck Institute)和阿贡纳米材料中心(Center for Nanoscale Materials at Argonne)担任联合研究员。
研究小组一直怀疑粒子的均匀性可能在这一现象中起作用。因此，该研究的第一作者、阿尔贡大学博士后研究员李钟勋合成了三种不同直径的二氧化硅纳米颗粒。然后他们把样本带到先进光子源，一个位于阿贡的巨型同步加速器，它为科学分析提供了极其强大的x射线。
该团队将测量液体粘度的流变仪与x射线表征相结合，创造了一种独特的仪器，可以实时了解颗粒运动时的结构。
他们的努力得到了回报。研究小组创造的高度均匀的悬浮液使他们能够分离出两种现象:有序到无序的转变和正常的剪切增厚。在此之前，它们在其他实验中是无法区分的。
这让他们看到，上世纪80年代发现的有序到无序转变发生在低应力区域，而稳定的剪切增厚发生在高应力区域。换句话说，这些行为是由独立的机制驱动的。
“但当你有不均匀的粒子时，这两种行为会坍塌到同一个区域，使它们无法区分，”李说。
-这篇文章最初是由阿贡国家实验室发布的
引文:“揭示有序到无序转变在剪切增稠悬浮液中的作用，”李等人，《物理评论快报》，2018年1月9日。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.120.028002
资助:美国能源部科学办公室，芝加哥大学材料研究科学与工程中心