非牛顿粘性物质的物理原理可以拯救宇航员的生命

你可能在高中时做过一个实验：当你将玉米淀粉和水混合（俗称oobleck）并搅拌时，它就像液体一样。但快速刮擦或用力击打它，它就会变硬成固体。如果你设定正确的速度，你甚至可以在一堆东西上奔跑。这种现象称为剪切力增稠，几十年来科学家一直在试图了解它是如何发生的。

观察一下白水和玉米淀粉混合后的浓稠度差异：

图片来源：科恩实验室

目前主要有两种理论，搞清楚哪种理论正确可能会影响我们制造水泥、防弹衣、防震头盔甚至宇航服的方式。

主流理论认为，这完全与溶液中液体和颗粒的流体动力学（流体运动的性质）有关。随着颗粒之间的距离越来越近，从它们之间挤出液体变得越来越困难。最终，再挤出任何液体都太难了，颗粒会锁定为流体动力学簇，仍然被一层薄薄的流体膜隔开。然后它们一起移动，使混合物变稠并形成固体。

另一种观点是，摩擦等接触力使颗粒保持锁定状态。根据这一理论，当施加力时，颗粒实际上会接触。剪切力和摩擦力使它们压在一起，从而使溶液更加坚固。

康奈尔大学物理学家伊泰·科恩说：“争论一直很激烈，我们一直在绞尽脑汁想出一种方法来最终确定这一结果。”他和他的团队最近进行了一项新实验，似乎将摩擦力作为剪切增稠的驱动因素。

他们决定进行所谓的流动反转实验。他们将一个锥体放入装满流体的盘子中，并测量旋转锥体所需的扭矩。随着剪切增稠的开始，锥体变得越来越难旋转。然后他们突然反转旋转方向。这个想法是，如果接触力是剪切增稠的原因，那么在旋转反转的那一刻，粒子将彼此脱离，扭矩大小将立即下降。如果流体动力学簇是剪切增稠的主要原因，扭矩就不会下降。

问题在于必须立即测量力，而没有一台机器能够快速测量以观察效果。因此，科恩的团队与麻省理工学院的加雷思·麦金利合作，后者改造了机器以更快地获取数据。当他们测试他们制作的简单解决方案时，他们发现在反转流动后力会下降。进一步的建模表明摩擦力可能是起作用的接触力。

科恩说：“我们兴奋极了。”他的研究成果今天发表在《物理评论快报》上。

“这是一项出色的工作，”纽约城市大学研究流体力学的化学工程师杰弗里·莫里斯 (Jeffrey Morris) 说。但他确实指出，科恩的结果可能并不适用于每一种剪切增稠流体。“我认为他们已经证明摩擦是他们系统的正确解释，但其他系统可能需要逐案测试，”他说。

特拉华大学化学工程师诺曼·瓦格纳 (Norman Wagner) 表示，研究此类摩擦相互作用很重要，但他并不完全相信，因为科恩的团队并没有直接测量摩擦力（他们从模型中推断出这是摩擦力，但他们没有找到粒子之间摩擦力的精确测量值）。他还表示，该领域已经有大量数据强烈表明流体动力学簇是造成剪切增稠的原因。

然而，研究人员一致认为，一旦确定了剪切增稠的确切原因，其应用将非常广泛。“一旦你知道了导致这种现象的机制，你就可以调整粒子属性来改变它，”莫里斯说。人们可以设计出混合物，使其变硬或保持流动，这取决于他们想要用它们做什么，他说。

例如，您希望能够轻松地在墙上喷涂或滚涂油漆而不会结块。研究人员必须设计出不会发生剪切增稠的油漆。水泥也是如此，它需要高速浇注而不会卡住。另一方面，剪切增稠流体可以制造出在撞击时变硬的防弹衣，将力量分散到身体的更大部位，瓦格纳说。这可以保护士兵、警察和急救人员免受刺伤或爆炸时碎片在空中飞舞等伤害。

观察玉米淀粉和水的混合物在锤子打击下变硬，然后变回流体：

图片来源：科恩实验室

“如果我们能保护士兵，”他说，“为什么不能保护宇航员呢？”瓦格纳和他的团队正在研究一个由 NASA 资助的项目，以改进宇航服，使微陨石或其他碎片无法刺穿它们。他们还利用技术制造头盔和护胫板的衬垫，以更好地保护运动员免受有害撞击。他们甚至还在制造防刺穿手套，让医护人员拥有与现有手套相同的灵活性，同时还能额外保护自己免受意外针刺。

“这是一个非常令人兴奋的领域，”瓦格纳说。他对设计能够自动保护人体的材料非常感兴趣，无需机器人或电力。他说，这只是材料固有的物理特性。“我们可以利用自然来发挥我们的优势，让它做出反应来保护我们。”