中科院研发新型流体材料，让“水上漂”从武侠走进现实

中科院研发新型流体材料，让“水上漂”从武侠走进现实

在武侠电影中，我们经常看到大侠们展示“水上漂”的轻功绝技，令人羡慕不已。然而，在现实生活中，这种功夫似乎遥不可及。但是，中国科学院力学研究所的科学家们正在研究一种特殊的剪切增稠流体（STF），或许能帮助我们实现真正的“水上漂”。

剪切增稠流体（Shear Thickening Fluid，简称STF）是一类非牛顿流体，在低应变率下具有较好的流动性，但在受到剪切力作用时，其粘度会快速增加。这种特性使得STF在柔性冲击防护领域具有重要的应用价值。

要理解STF的工作原理，我们先来解释几个力学术语：

• 粘度：表示液体内摩擦力的大小，即物体在液体中运动时所受的“阻力”。例如，在蜂蜜中游泳比在水中更困难，因为蜂蜜的粘度更高。
• 剪切力：一对相互平行但指向相反的力。
• 剪切速率：描述物体在剪切力作用下变形的速度。

STF的粘度与剪切速率之间的关系如图1所示。在低剪切速率下，STF的粘度很低，表现出良好的流动性。随着剪切速率的增加，粘度会先略微下降（剪切变稀），然后在达到某个临界值后迅速上升（剪切增稠）。这种特性使得STF在受到快速冲击时能够迅速硬化，吸收能量。

让我们通过一个直观的例子来理解STF的神奇特性。图2展示了手指低速搅拌淀粉浆糊的情景。由于剪切速率较低，淀粉浆糊表现出较好的流动性。而图3则展示了一个人在淀粉浆糊上实现“水上漂”的表演。当表演者以正常跑步的速度在淀粉浆糊表面运动时，脚板产生的剪切速率足以让STF发生增稠现象，粘度迅速增加，从而产生足够的支撑力，避免表演者陷入其中。

中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室的吴先前副研究员带领团队，针对STF的工程应用难题提出了创新解决方案。他们设计了一种STF微胶囊-聚合物基体复合材料（SR-STF），成功克服了常规STF难以有效密封的问题。

图4展示了SR-STF复合材料的制备过程。首先，研究人员制备出疏水性较强的STF。利用STF的疏水性和硅橡胶的亲水性，将两者混合制备出SR-STF复合材料。这种复合材料通过STF的液-固相变、大量STF/硅橡胶基体界面以及STF与硅橡胶基体的相互增强作用，实现了“1+1>>2”的效果，显著提升了材料的冲击防护性能。

吴先前研究团队进一步研究了SR-STF复合材料的力学性能。图5显示了不同STF含量的SR-STF复合材料在不同应变率下的应力-应变关系。高STF含量的复合材料在低应变率下表现出良好的柔韧性，而在高应变率下则表现出较高的刚度，显示出显著的加载速率敏感性。随着STF含量的增加，复合材料在低速冲击下的柔韧性和高速冲击下的硬度都得到提升，表现出对不同冲击载荷的智能自适应性。

这种独特的性能使得STF在多个领域展现出广阔的应用前景：

• 柔性防护装备：制备软体防弹衣，兼具日常穿着的舒适性和关键时刻的防护性能。
• 汽车安全：制造车辆撞击吸能部件，提高汽车安全性。
• 航空航天：用于制造航天器、飞机的舱壁、翼尖等结构件，提升抗冲击性能。
• 可穿戴设备：开发智能防护材料，为运动爱好者提供安全保障。
• 体育器材：制造高性能运动装备，减少运动伤害。

随着研究的深入和技术的突破，STF有望在更多领域实现应用。例如，北京中科力信科技有限公司正在探索将高透光学型STF应用于AMOLED柔性显示领域，这可能为未来的可穿戴设备带来革命性的变化。

虽然STF的制备标准高、力学行为复杂，但其在防护装备、抗冲减震、可穿戴设备等领域的巨大潜力，正吸引着越来越多的研究投入。我们有理由相信，这种神奇的流体材料，不仅可能让“水上漂”成为现实，还将为人类带来更多安全保障和便利。

正如吴先前副研究员所说：“我们力学人借助于剪切增稠流体（STF）这样一种特殊流体，可以帮助人们实现真正的‘水上漂’。”这一创新技术，正将武侠小说中的幻想逐步变为现实。