姚丁楊

最近幾年，在材料領域興起了一個新貴族——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“防護特性”，使這款材料在運動保護、車輛外殼制造等領域展現出了極佳的應用前景。有沒有覺得這種“吃軟不吃硬”的特性科技感十足？這個材料新貴族還有個炫酷的名字——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”把一個生雞蛋包覆起來，那這個“雞蛋”用錘子都很難砸壞。憑借這種“防撞擊”的性質，D3O材料目前已經在上百種產品中獲得應用，包括護膝、芭蕾舞鞋、手機殼等。

D3O材料是一位名叫理查德·帕莫的英國工程師發(fā)明的。據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。功夫不負有心人，理查德找到了這種材料，并以發(fā)明它的實驗室命名——D3O。

那么，D3O材料為什么會有這種“吃軟不吃硬”的性質呢？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阻力的量，簡單地說，黏度高的物質不容易流動，黏度低的物質則容易流動。比如，水比蜂蜜更容易流動，就是因為水的黏度低，蜂蜜的黏度高。接著再說黏度和溫度的關系，許多人應該都有類似的生活經驗，就是有些比較黏稠的流體加熱后，就會變得沒那么黏了。比如我們汽車發(fā)動機上的油，冬天的時候往往會變得又厚又黏，所以很難打著火，但是一旦發(fā)動機變熱了，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，還會受到包括攪拌、壓力等其他因素的影響，這些流體就被稱為非牛頓流體。

越晃動越結實的流體

根據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（比如晃動和攪拌）的作用下黏度會變小的流體。我們日常所接觸的番茄醬、剃須膏、油漆都屬于剪切稀化流體?；叵胍幌?，我們每次搖晃或者敲打番茄醬的瓶子，番茄醬是不是會更容易流出來？還有，我們把剃須膏放在手中揉搓，是不是它就會變薄并且更容易流動？這些都是剪切稀化的實例。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，因為你用的所有力氣只會用來降低流沙的黏度，從而加速流沙的移動。其實，流沙的密度是人體密度的兩倍，只要你身體放輕松，就會自動浮上來。

與剪切稀化流體相對應的是剪切稠化流體，也就是在施加剪切力時，流體會變得更黏稠。玉米淀粉和水的混合物就屬于典型的剪切稠化流體，當你用力迅速擠壓它的時候，它會變得異常堅硬，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構單元重復并最終串聯起來的、分子量很高的化合物。我們初中的化學課本上就講過，物質是由一個個分子“堆積”后形成的，而構成高分子材料的分子是一條條長鏈，而這些長鏈通過不同的方式排列、纏結，則會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滑劑和懸浮在其中的大分子鏈混合而成。當作用力緩慢施加到剪切增稠流體時，大分子鏈有時間移動并重新排列，因此黏度不受影響;但如果我們快速施加作用力時，大分子鏈沒有足夠的時間重新排列，它們就會彼此糾纏在一起，使流體黏度大大增加。我們可以打個比方，想象一下春運時的火車站，如果每個人都往檢票口擠，就會發(fā)生擁堵，但如果用長圍欄隔開，每個人都有秩序地排隊往前走，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動保護材料，這也與理查德·帕莫發(fā)明這一材料的動機相吻合。用D3O材料制作的護膝和護肘，在正常狀態(tài)下容易流動，因此佩戴簡單舒適，也不會影響佩戴者的活動。一旦摔倒，肘部、膝蓋撞到地面，D3O會立即“變硬”，與傳統(tǒng)護膝相比，這種D3O材料護具提供了更大程度的保護。

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

D3O材料還有一個用途就是做手機外殼。目前，智能手機普及率極高，如若你有一個D3O材料做的手機殼，你就再也不用擔心手機掉在地上導致的碎屏或者裂痕了。

當然，D3O材料還有一個巨大的應用前景——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。當然，將D3O材料用于車輛外殼還需要諸多的技術攻關。但我們有理由相信，隨著科學家的不懈努力，也許有一天，D3O這種“吃軟不吃硬”的材料會滲入我們生活的方方面面。

【責任編輯】張小萌endprint