材料新貴族“吃軟不吃硬”

姚丁楊

最近幾年，在材料領(lǐng)域興起了一個(gè)新貴族——它摸起來很軟，但是在外力的作用下又變得很硬，正是由于這種優(yōu)越的“防護(hù)特性”，使這款材料在運(yùn)動(dòng)保護(hù)、車輛外殼制造等領(lǐng)域展現(xiàn)出了極佳的應(yīng)用前景。有沒有覺得這種“吃軟不吃硬”的特性科技感十足？這個(gè)材料新貴族還有個(gè)炫酷的名字——D3O材料。

D3O材料

D3O材料是一種特殊的高分子材料，外觀是橙紅色，捏起來很柔軟，和橡皮泥類似，但它能有效地防御突然的外力撞擊。比如，你用這款“橡皮泥”把一個(gè)生雞蛋包覆起來，那這個(gè)“雞蛋”用錘子都很難砸壞。憑借這種“防撞擊”的性質(zhì)，D3O材料目前已經(jīng)在上百種產(chǎn)品中獲得應(yīng)用，包括護(hù)膝、芭蕾舞鞋、手機(jī)殼等。

D3O材料是一位名叫理查德·帕莫的英國(guó)工程師發(fā)明的。據(jù)說理查德是一名滑雪愛好者，曾在一次滑雪事故中受傷，因此他非常希望找到一種材料能使他免受滑雪板帶來的磕碰之苦。功夫不負(fù)有心人，理查德找到了這種材料，并以發(fā)明它的實(shí)驗(yàn)室命名——D3O。

那么，D3O材料為什么會(huì)有這種“吃軟不吃硬”的性質(zhì)呢？原因只有一句話：D3O材料是一種特殊的流體——非牛頓流體。

牛頓流體vs非牛頓流體

提到非牛頓流體，那就不得不了解一下牛頓流體。所謂牛頓流體，就是黏度僅受溫度影響的流體。那黏度又是什么？黏度是描述流體流動(dòng)阻力的量，簡(jiǎn)單地說，黏度高的物質(zhì)不容易流動(dòng)，黏度低的物質(zhì)則容易流動(dòng)。比如，水比蜂蜜更容易流動(dòng)，就是因?yàn)樗酿ざ鹊?，蜂蜜的黏度高。接著再說黏度和溫度的關(guān)系，許多人應(yīng)該都有類似的生活經(jīng)驗(yàn)，就是有些比較黏稠的流體加熱后，就會(huì)變得沒那么黏了。比如我們汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的油，冬天的時(shí)候往往會(huì)變得又厚又黏，所以很難打著火，但是一旦發(fā)動(dòng)機(jī)變熱了，上面的油就沒那么黏了。

我們常見的流體水和油，就是典型的牛頓流體，不管它們流過管道的速度有多快，它們的黏度是恒定的，溫度是影響其黏度的唯一因素。然而，有些流體的黏度除了和溫度相關(guān)，還會(huì)受到包括攪拌、壓力等其他因素的影響，這些流體就被稱為非牛頓流體。

越晃動(dòng)越結(jié)實(shí)的流體

根據(jù)流體在外力作用下黏度變化的不同，非牛頓流體又分為剪切稀化流體和剪切稠化流體。

顧名思義，剪切稀化流體就是在剪切力（比如晃動(dòng)和攪拌）的作用下黏度會(huì)變小的流體。我們?nèi)粘Ｋ佑|的番茄醬、剃須膏、油漆都屬于剪切稀化流體。回想一下，我們每次搖晃或者敲打番茄醬的瓶子，番茄醬是不是會(huì)更容易流出來？還有，我們把剃須膏放在手中揉搓，是不是它就會(huì)變薄并且更容易流動(dòng)？這些都是剪切稀化的實(shí)例。另外，我們常在電影中看到的流沙，也屬于剪切稀化流體。如果被困在流沙中，你越掙扎，沉沒的速度就越快，因?yàn)槟阌玫乃辛庵粫?huì)用來降低流沙的黏度，從而加速流沙的移動(dòng)。其實(shí)，流沙的密度是人體密度的兩倍，只要你身體放輕松，就會(huì)自動(dòng)浮上來。

與剪切稀化流體相對(duì)應(yīng)的是剪切稠化流體，也就是在施加剪切力時(shí)，流體會(huì)變得更黏稠。玉米淀粉和水的混合物就屬于典型的剪切稠化流體，當(dāng)你用力迅速擠壓它的時(shí)候，它會(huì)變得異常堅(jiān)硬，成凝固狀態(tài)。如果你有一泳池的玉米淀粉和水的混合物，你甚至可以在上面奔跑?？吹竭@里，你應(yīng)該就恍然大悟了——“吃軟不吃硬”的D3O材料就是一種剪切稠化流體。

“吃軟不吃硬”的秘密

前面提到，D3O材料是一種高分子材料。其實(shí)很多的高分子材料都是非牛頓流體。所謂高分子材料，是一類由一種或幾種結(jié)構(gòu)單元重復(fù)并最終串聯(lián)起來的、分子量很高的化合物。我們初中的化學(xué)課本上就講過，物質(zhì)是由一個(gè)個(gè)分子“堆積”后形成的，而構(gòu)成高分子材料的分子是一條條長(zhǎng)鏈，而這些長(zhǎng)鏈通過不同的方式排列、纏結(jié)，則會(huì)大大影響材料的性能。我們常見的塑料、橡膠、人造纖維等都屬于高分子材料。

D3O材料主要由油性液體潤(rùn)滑劑和懸浮在其中的大分子鏈混合而成。當(dāng)作用力緩慢施加到剪切增稠流體時(shí)，大分子鏈有時(shí)間移動(dòng)并重新排列，因此黏度不受影響;但如果我們快速施加作用力時(shí)，大分子鏈沒有足夠的時(shí)間重新排列，它們就會(huì)彼此糾纏在一起，使流體黏度大大增加。我們可以打個(gè)比方，想象一下春運(yùn)時(shí)的火車站，如果每個(gè)人都往檢票口擠，就會(huì)發(fā)生擁堵，但如果用長(zhǎng)圍欄隔開，每個(gè)人都有秩序地排隊(duì)往前走，那么大家最終都能有序離開。

大顯身手的D3O

D3O材料是一種理想的運(yùn)動(dòng)保護(hù)材料，這也與理查德·帕莫發(fā)明這一材料的動(dòng)機(jī)相吻合。用D3O材料制作的護(hù)膝和護(hù)肘，在正常狀態(tài)下容易流動(dòng)，因此佩戴簡(jiǎn)單舒適，也不會(huì)影響佩戴者的活動(dòng)。一旦摔倒，肘部、膝蓋撞到地面，D3O會(huì)立即“變硬”，與傳統(tǒng)護(hù)膝相比，這種D3O材料護(hù)具提供了更大程度的保護(hù)。

D3O材料還可以作為軍事防護(hù)材料，用于保護(hù)警察和軍人的生命。傳統(tǒng)的防彈背心和其他類型的防彈衣由于過于笨重會(huì)導(dǎo)致士兵行動(dòng)不便，甚至影響任務(wù)的執(zhí)行，所以并不那么受歡迎。目前，已經(jīng)有了一種新型的防彈衣，它選用D3O做內(nèi)膽，外面覆蓋一層聚氨酯。在受到子彈或彈片的沖擊力后，聚氨酯能將這種應(yīng)力分散至整個(gè)防彈衣，隨后D3O變硬，吸收應(yīng)力，從而起到保護(hù)穿戴者的作用。

D3O材料還有一個(gè)用途就是做手機(jī)外殼。目前，智能手機(jī)普及率極高，如若你有一個(gè)D3O材料做的手機(jī)殼，你就再也不用擔(dān)心手機(jī)掉在地上導(dǎo)致的碎屏或者裂痕了。

當(dāng)然，D3O材料還有一個(gè)巨大的應(yīng)用前景——車輛外殼，如果我們把這種材料用于汽車車身，必將大大減少撞車造成的人員傷亡。當(dāng)然，將D3O材料用于車輛外殼還需要諸多的技術(shù)攻關(guān)。但我們有理由相信，隨著科學(xué)家的不懈努力，也許有一天，D3O這種“吃軟不吃硬”的材料會(huì)滲入我們生活的方方面面。

【責(zé)任編輯】張小萌endprint