“剪切阻塞”—使懸濁液固化的關鍵

材料牛注：致密懸浮狀材料，即液態中含有顆粒的材料，常見于食品工業（例如熔化的巧克力），海洋或河流底部的粘土沉積中。目前新的研究，向我們展示了這種液態材料如何在體積以及顆粒數目不變的情況下轉變為固態。

了解致密懸浮材料的“液體態”及“固態”轉變是十分必要的，這意味著，一旦我們掌握了該項技術，人們便可以在需要時即像使用堅硬的固體一樣在上面搭建東西，又可以使其改變狀態，想液體一樣流動。

南安普頓大學空氣動力學和飛行力學研究小組的講師Ivo Peters領導了這項研究。Ivo在芝加哥大學工作時進行了這項工作，他說：“打個比方來說，在液體中加入過多的顆粒就像在交通中放行過多的車輛一樣，結果就是，液體的流動性逐漸減小，固體顆粒被阻塞，實現固化。而另外一種實現這種轉變的方法相對來說難于理解：既不添加過量的顆粒也不改變體積的大小，而是通過攪拌來實現固化。”

研究人員已經展示了如何通過快速移動剪切干擾面來實現固化，這種剪切干擾面的方法可以迅速實現從固化前緩慢移動的前體狀態，到牢牢阻塞狀態的轉變。他們的研究結果使我們在微觀和宏觀上都重新認識了與阻塞相關的現象。研究人員同時引入“剪切阻塞”這一概念來解釋摩擦液體材料如何從流態到固態的轉變。但是到目前為止，實驗結果只局限于二維顆粒系統，而且大多數研究還只停留在理論上。而這種新的研究在全三維系統中首次對剪切阻塞進行了系統性的實驗研究。

該實驗通過轉動含有水，甘油和玉米淀粉的流體混合物的圓筒完成。不斷往滾筒中加入直徑約5毫米的顆粒，一開始這些顆粒會緩慢下沉，但是最后會被阻塞并停留在表面。混合物最終轉變為固體。Ivo說：”我們的研究不僅包含干顆粒材料，還包括剪切阻塞，并證明了它們與密集粒子分散系的關系。干顆粒材料和剪切阻塞都有自己的狀態圖，我們已經在單一的實驗系統中給出了如何構成狀態圖，并且與試驗和模擬得到的狀態圖相符。

“致密懸浮液中的剪切阻塞不僅具有固體和液體的特點，而且還有其獨特的特點：快速傳播剪切干擾面的形成，這在干式系統圖中并不存在。”

該研究成果已經發表在Nature 上

原文參考地址：New understanding of liquid-like materials to solid state transition discovered

感謝材料人編輯部韓振提供素材。