对流沙状流体的更好理解可能会导致未来的技术

如果你以正确的比例混合玉米淀粉和水，你会得到“oobleck”：看起来不完全是液体，但也不完全是固体的东西。Oobleck 在未接触时会像液体一样流动和沉淀，但当您尝试拿起它或用勺子搅拌它时会变硬。oobleck 和其他非牛顿流体（包括 Silly Putty、流沙、油漆和酸奶）的特性在压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确切的原因。

现在，芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究人员已经使用压电纳米粒子来研究非牛顿流体的基本物理学，压电纳米粒子本身会随着压力而变化。该团队发现了颗粒之间摩擦在导致材料从流体翻转为更固体结构的关键作用。

“这不仅回答了关于这些材料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，”Barry L. MacLean分子工程教授Stuart Rowan说，该论文的共同资深作者发表在 《美国国家科学院院刊》上。

这些潜在的应用包括：不结块的油漆、摇晃时硬化成模具的液体，以及撞击时会变硬的可穿戴防护装备。

压电探头

非牛顿流体的一个标志是，当材料处于应力下时，它们的粘度（它们的厚度）会发生巨大变化。对于某些材料，这意味着在应力作用下变薄。摇晃番茄酱瓶可以使调味品更加可倾倒;酸奶、蛋黄酱和牙膏在容器中保持其形状，但在使用时会变得更像液体。

但其他材料，如oobleck，它是一种浓缩的颗粒悬浮液，其行为恰恰相反：它在纵时会感觉很固，但在放下时会塌陷成水坑。

科学家们已经提出了关于为什么浓缩颗粒悬浮液在剪切时会发生变化的假设——暴露在不同方向的多种力下。这些假设主要涉及构成材料的分子和颗粒如何在不同条件下以不同的方式相互作用，但每个假设都很难证明。

“为了了解这些浓缩的颗粒悬浮液，我们希望能够看到纳米级结构，但这些颗粒非常拥挤，以至于对这些结构进行成像非常困难，”博士后学者Hojin Kim解释说，他是新论文的第一作者。

为了克服这一挑战，Kim与Rowan，Aaron Esser-Kahn（普利兹克分子工程学院教授和压化学专家）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率的变化。然后，他们将纳米颗粒悬浮在液体中，其浓度使其表现出与oobleck相同的非牛顿特性。

研究人员对液体的顶部和底部施加剪切力，并同时测量粘度和电信号的变化。这使他们能够确定颗粒在从更液态变成更像固体的物质时是如何相互作用的。

“我们发现粒子之间的摩擦对这种转变至关重要，”Kim说。 “在这种浓缩颗粒溶液中，当摩擦达到一定水平，粘度突然增加时，就会出现临界点。”

应用范围广泛

了解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一步。有朝一日，这些工程材料可能具有定制的特性，让科学家通过压力来控制它们的粘度。在某些情况下，这可以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硬化材料。

“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其纳米颗粒悬浮液的应力诱导压电活性来设计新的适应性和响应性材料，例如，这些材料在机械力下会变得更硬。

引文：“用压电纳米粒子探测的剪切悬浮液中的应力激活摩擦”。Kim 等人，PNAS，2023 年 11 月 28 日。

资助： 芝加哥大学材料研究科学与工程中心（MRSEC）由美国国家科学基金会陆军研究实验室资助

——改编自普利兹克分子工程学院首次发表的一篇文章。