芝加哥大学解密非牛顿流体以开发无团块涂料

由于压电纳米粒子本身会随着压力而变化，芝加哥大学Pritzker分子工程学院（PME）的研究人员使用压电纳米粒子来进行非牛顿流体基本物理学的研究。近日研究小组发现，颗粒之间的摩擦在使材料从流体转变为更坚固的结构方面起着关键作用。研究结果发表在《美国国家科学院院刊（Proceedings of the National Academy of Sciences）》上。该技术的潜在应用包括不会结块的涂料、摇晃后会变硬的液体，以及受到撞击后会变硬的可穿戴防护装备。

了解一下非牛顿流体

非牛顿流体的一个特点是，它们的粘度在材料受到压力时会发生巨大变化。对于有些材料来说，它会随着压力的变化变稀薄，比如摇动番茄酱瓶可以使它更容易倒出来，酸奶、蛋黄酱和牙膏在容器中保持形状，但在使用时更像液体。但一些其他材料，如oobleck，它是一种玉米淀粉和水的混合物，属于浓缩的颗粒悬浮液，表现恰恰相反。它在被大力拍击时感觉是固体的，但在放置状态下会塌陷形成水坑。

科学家提出了一些假设，解释了为什么浓缩颗粒悬浮液在受到不同方向的多重剪切力时会有所不同。这些假设大多与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有关，但每个假设都很难证明。

利用纳米颗粒展示与Oobleck一样的特性

“为了理解这些浓缩的颗粒悬浮液，我们希望能够看到纳米级的结构，但这些颗粒非常拥挤，对这些结构进行成像非常困难，”博士后学者、这篇新论文的第一作者Hojin Kim说。

为了克服这一挑战，Kim与Rowan、Aaron Esser-Kahn（也是PME教授和压电化学专家）以及Sewell Avery杰出服务物理学教授Heinrich Jaeger合作。该团队开发了一种基于施加在其上的剪切力来测量电导率变化的技术。然后，他们将纳米颗粒悬浮在一定浓度的液体中，使其表现出与oobleck相同的非牛顿性质。

研究人员对液体的顶部和底部施加剪切力，同时测量粘度和电信号的变化。这让他们可以确定当颗粒从更像液体的物质变成更像固体的物质时，它们是如何相互作用的。“我们发现粒子之间的摩擦对这种转变至关重要，”Kim继续说道，“在这种浓缩的颗粒溶液中，当摩擦达到一定程度时，会出现一个临界点，粘度会突然增加。”

潜在应用范围

了解在浓颗粒溶液中起作用的物理力是在实验室中设计新的非牛顿流体的关键步骤。这些工程材料可以定制特性，帮助科学家通过压力来控制它们的粘度。在某些情况下，这可能会减少涂料和混凝土等液体的结块和堵塞。在其他情况下，它可能意味着在需要时对材料进行有目的的硬化。

“对于任何应用，我们希望最终能够确定溶剂、颗粒和剪切条件的理想组合，以获得我们想要的性能，”Kim补充说，“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，所以这有很多应用。”

目前，Pritzker分子工程和芝加哥大学的研究人员正计划利用他们的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，在机械力下变得更硬。