理论解密非牛顿流体芝加哥大学发现纳米摩擦力的作用

2024年01月04日11:14 来源：慧正资讯

慧正资讯，芝加哥大学Pritzker分子工程学院 (PME ) 的研究人员利用压电纳米粒子研究了非牛顿流体的基础物理学。研究小组发现，颗粒之间的摩擦力在导致材料从流体转变为更坚固的结构方面，例如非牛顿流体，发挥着重要作用。

研究结果发表在《美国国家科学院院刊（Proceedings of the National Academy of Sciences）》上。oobleck 和其他非牛顿流体的性质在压力下会发生变化，但到目前为止，科学家们一直在努力证明其原因。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2310088120

这项研究的潜在应用包括不会结块的涂料、撞击时变硬的可穿戴防护装备，以及摇动时硬化成模具的液体。非牛顿流体以其粘度及其在压力下的变化而闻名。例如，摇动番茄酱瓶以使其更容易倒出。然而，其他材料，如oobleck，是一种行为相反的浓缩颗粒悬浮液。操纵时感觉坚固，放下时感觉塌陷。为了进一步理解这一点，科学家们假设了构成材料的粒子和分子如何在不同条件下相互作用。“为了了解这些浓缩颗粒悬浮液，我们希望能够观察纳米级结构，但颗粒非常拥挤在一起，以至于对这些结构进行成像非常困难，”该论文的第一作者 Hojin Kim 说。

研究人员开发了一种技术，可以根据施加在其上的剪切力来测量电导的变化。然后将纳米颗粒以特定浓度悬浮在液体中，以表现出类似于oobleck的非牛顿特性。对液体的顶部和底部施加力，同时测量由此产生的粘度变化和电信号。这使得团队能够确定粒子从液体状材料转变为固体状材料时如何相互作用。研究人员希望有一天能够开发出具有定制特性的工程材料，使科学家能够通过压力控制粘度。这可以减少混凝土和油漆等液体的结块和堵塞，并且在需要时还可以更有目的地使材料硬化。

“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不是非常基础的研究，但实际上，非牛顿流体无处不在，因此它有很多应用。”目前，研究人员计划利用纳米颗粒悬浮液的应力诱导压电活性来开发一种新的自适应和响应材料，该材料在机械力作用下可以变得更硬。

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