悬浮液的粘度：一切都归结为粗糙度

互联网上充满了人们玩白色粘液的乐趣视频。它几乎看起来像是在水上行走。但当他们静止不动时，他们慢慢开始下沉。所讨论的粘液通常是包含玉米淀粉和水的浓缩悬浮液。虽然在Seuss博士的儿童书之后俗称“oobleck”，但材料科学家使用术语“非牛顿流体”。与“正常”(牛顿)流体相反，非牛顿流体在受到大的快速变化的力作用时会变得更粘稠。在短暂的时刻，材料表现得像一个固体。但是，如果力恒定且较弱，则材料像普通液体一样流动。

“这种现象出现在所有具有高颗粒密度的悬浮液中，例如水泥，”苏黎世联邦理工学院软物与组装界面教授Lucio Isa说。如果水泥通过施工现场的管道过快泵送，管道就会堵塞。

由于表面粗糙，摩擦力更高

这部分是由于悬浮液中固体颗粒的表面特征。“如果突然施加力，固体颗粒就不能足够快地移开。相反，它们会相互接触，相互摩擦并相互阻挡，”Isa解释道。颗粒表面越粗糙，摩擦力越大。

研究人员使用这些特性以有针对性的方式控制稠密悬浮液中粘度的突然增加。Isa和他的同事们使用具有粗糙表面的均匀的微米级硅酸盐颗粒“而不是玉米淀粉”。这些颗粒看起来像微小的覆盆子，并且在早期的研究中已经被研究人员使用(参见2017年6月14日的ETH新闻)。在Isa和ETH教授Nicholas Spencer工作的博士生Chiao-Peng Hsu开发了一种方法，可以快速生成这些具有不同表面粗糙度的树莓形颗粒库。

尽管颗粒较少，粘度较高

研究人员使用这些颗粒来制造悬浮液，他们可以测试应力下粘度的突然增加。结果表明，颗粒越粗糙，就越少需要添加到悬浮液中以实现突然凝固。相反，如果使用光滑的颗粒，在研究人员能够观察到突然增厚之前，必须在悬浮液中加入更多的颗粒。

研究人员表明，使用粗糙颗粒可以节省材料：它们在悬浮液中的总体积部分可以大大降低，以产生相同的效果。

当研究人员将粗糙和光滑的颗粒混合在一个悬浮液中时，固化也比仅有光滑颗粒的悬浮液更早发生。ETH的研究人员发现，混合物中只有6%的光滑颗粒足以显着降低粘度的增加。“就像混合球轴承和齿轮一样，”Isa说。“齿轮相对容易地连接在一起，形成一个稳定的链条，但滚珠轴承很容易打破这些链条并实现流动。”

在悬臂上种植“覆盆子”

为了研究单个粒子之间的摩擦，Hsu和他的同事Shivaprakash Ramakrishna在原子力显微镜的悬臂上附着了一个半微米的粒子。然后研究人员通过将悬臂移动几百纳米，同时测量倾斜角度，将粒子移动到各种粗糙模型表面。摩擦越强，角度越大。“在悬臂上使用这种粒子非常困难，因为尺寸非常小，”Hsu强调说。“我们是第一个实现这一目标的团体。”

在防弹背心中的应用

结果是否将集成到实际应用中还有待观察。该研究主要是纯粹的研究。“我们的目标是调查我们可以改变纳米和微观结构的方式，以便在宏观层面上影响材料行为，我们成功了，”Isa说。该研究结果可用于日常应用，如水泥。“通过调整颗粒表面并以与我们的实验类似的方式将它们混合到水泥中，可以优化水泥的流动特性。”

但具有突然凝固特性的粘性悬浮液也可用于其他目的; 例如，美国制造商使用粘性悬浮液来开发防弹和防刺穿安全背心。“我们的研究可以帮助改善这些应用，”Isa说。