神奇材料:“吃软不吃硬”的D3O材料

必发365登录入口2017年5月18日讯  英国工程师Richard Palmer于1999年发明D3O,作为一位滑雪爱好者,他当时非常希望能找到一种材料能使他免受滑雪板带来的磕碰之苦(据说是在一次滑雪事故中受了伤)。最终他找到了这种材料,并以发明它的实验室命名——D3O。该材料自问世以来就只有亮橙色这一种颜色。

近几年来,在美国材料市场上产生了一个新贵:D3O材料,充满了十足的科技感,它是一种特殊的高分子材料,摸起来很软,但是却在外力的作用下又变得很硬,能起到优越的防护性能,在运动保护、车辆外壳等领域都展现出了极大的应用前景。

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神奇材料:“吃软不吃硬”的D3O材料

这种材料,捏起来软软的像是橡皮泥,除了颜值高点,似乎也没什么特别。

但是!软材料却能展现出极其“硬气”的一面,用它包覆鸡蛋,鸡蛋用锤子都砸不坏。

实际上,这是一种名为D3O的新型材料,这几年在美国市场大放异彩。目前已经有上百种产品用到了D3O,从手机壳到护膝再到芭蕾舞鞋。虽然名字听起来像《星球大战》中才能用得到的家伙,但是它的功能还是非常接地气的:防撞击。

与钢铁等高强度材料不同,D3O在常规状态下是柔软的,却能防住突然的受力撞击。

原始状态的D3O非常容易产生形变,但如果迅速对它施加外力,它会突然变硬,并立即吸收外界能量。 图片来源:www.thefitrv.com

它为什么“吃软不吃硬”?

D3O材料上述的这种特点,像极了我们中国人常说的“吃软不吃硬”,那么,它为什么会有这样的性质呢?原因总结起来就一句话:D3O材料是一种特殊的流体——非牛顿流体。

牛顿流体与非牛顿流畅

在介绍非牛顿流体前,我们先好好了解下牛顿流体。牛顿除了发现伟大的力学三大定律外,还发现:多数流体的粘度仅受温度的影响。什么是粘度?粘度是描述流体流动阻力的量,粘度高的物质不容易发生移动,粘度低的物质则容易移动,举个栗子:水(粘度低)比蜂蜜(粘度高)更容易移动,耗时也更短。好了,接着说粘度和温度的关系,牛顿发现有些物质加热后,就变得没那么粘了,而一旦温度降低它可能就会变得非常粘稠。再举个栗子:冬天早上发动汽车的时候,发动机上的油又厚又粘,所以很难打着火,但是一旦发动机变热了,上面的油就没那么粘了。常见的流体比如水和油,不管它们流过的管道速度有多快,粘度一直保持恒定,温度是影响它们粘度的唯一因素,这种流体称为牛顿流体。但是有些流体的粘度除温度外还受到其他因素的影响,这些流体称为非牛顿流体。非牛顿流体的粘度会随着搅拌或者压力(剪切应力)的改变而改变。而牛顿流体的粘度则不受剪切应力的影响。

很多聚合物的溶液或者熔体都是非牛顿流体。聚合物是由一种或几种结构单元重复并最终串联起来的分子量很高的化合物。常见的人工合成聚合物有塑料、橡胶、人造纤维等,天然聚合物包括DNA、蛋白质、淀粉等。

粘有D3O材料的鸡蛋依旧完整,粘有普通橡皮泥材料的鸡蛋则破碎

剪切稀化流体

仔细想想你倒番茄酱的场景,是不是每次都摇晃瓶子或者敲下瓶子底,让它流出来。这个动作就是在对番茄酱施加剪切应力,让它变得不那么粘。所以当晃动或搅拌后粘性变小的流体,就称为剪切稀化流体。同样属于剪切稀化流体的还有剃须膏,油漆等等。如果你在两手之间揉搓剃须膏的话,它会变薄并且容易流动,因粘度降低了。

我们常在电影中看到流沙也属于剪切稀化流体。如果被困在流沙中,你越挣扎,沉没的速度就越快。你用的所有力都会降低流沙的粘度,从而加速流沙的移动。难道就没有什么自救的方法了么?不用担心,流沙很少能没到人头部,因为它的密度是人体密度的两倍,只要放轻松,就会自动浮上来。

剪切稠化流体

另一种流体对剪切力的响应结果则是反的。如施加剪切力,那么该流体会变得更粘稠,这种流体称为剪切稠化流体。玉米淀粉和水的混合物就属于这一范畴,当你用力迅速挤压它的时候,它会变得异常坚硬,成凝固状态。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。

(央视一个科普节目中曾经介绍到这种剪切稠化流体,人可以在上面奔跑通过)

之前讲到的D3O材料,就是一种剪切稠化流体,它是由油性液体润滑剂和悬浮在其中的聚合物混合而成。当作用力缓慢施加到剪切增稠流体时,聚合物链有时间移动并重新排列,因此粘度不受影响。但如果快速施加作用力时,聚合物链没有时间重排,同时会纠缠在一起,粘度大大增加。这就好比一个春运时的火车站,如果每个人都往检票口挤,就会发生拥堵,但如果用长围栏隔开,每个人都有秩序的排队往前走,那么大家最终都能有序离开。

剪切稀化流体和剪切稠化流体在受力后除了粘性变化相反外,还有一点就是剪切稀化流体需要长时间的作用力才能降低粘性,而剪切稠化流体则是突然应力,使其变硬。

剪切稀化流体(左):施加的剪切力破坏了聚合物间的氢键(或其它二级结构),聚合物更容易流过。 去除应力时,聚合物链之间的氢键再次形成。剪切稠化流体(右):施加剪切力可导致聚合物的无规卷曲解开并且彼此缠结,提高粘度。 去除应力时,聚合物恢复到无规线团状态。图片来源:RS GRAPHX, INC.

大显身手的D3O

作为运动保护材料:

由于D3O作为一种剪切稠化流体,能在受到冲击时提供保护,比如可以作为护膝和护肘。在正常状态下,D3O呈现流体性质,容易流动,因此佩戴简单,佩戴者的活动也不会受到影响。但一旦摔倒,滑板、膝盖撞到地面,D3O会立即“变硬”,比传统护膝提供了更大程度的保护。

D3O还用于各种运动中的特制头盔,从足球、曲棍球到垒球。美国儿科学会报告说,在过去十年中,青少年脑震荡的数量翻了一番,达到四百万到五百万次。希望这种材料可以降低脑震荡率。目前市面上头盔主要是在撞击时保护头部,但却不能阻止颅骨内大脑本身的运动,而这才是脑震荡的原因。设计这种降低大脑运动的头盔是一个非常有意义的事情,还涉及到生物工程,运动医学和材料科学等学科。

作为军事防护材料:

D3O最重要的作用恐怕就是保护警察和军人的生命了。传统的防弹背心和其他类型的防弹衣由于太大,行动不便,甚至影响执行任务,所以并不那么受欢迎。

新型防护设备选用D3O(黄色)做内胆,外面覆盖一层聚氨酯(TPU,灰色)。在受到外界冲击力后,TPU能将这种应力分散至整个材料,随后D3O变硬,吸收应力,从而起到保护作用。图片来源:D3O Technology

现在D3O已经应用在了防弹背心和头盔中。当它和其它材料一起制备成复合材料时,作用更加明显,比如挡子弹和弹片。这种防弹衣在受到冲击时会立即变硬,保护穿戴人。

作为手机保护壳:

手机如果一不小心掉在地上,不论是屏碎还是划痕,都够让人心碎了。不过将D3O运用到手机壳中,就完全不用担心这个问题,它能为你的手机提供完美保护。如果手机经常掉在地上,那你可以考虑入手一个带D3O材料的手机壳,官网售价29.99刀。

D3O和其他类似的非牛顿产品的使用方法似乎无穷无尽。比如是否可以应用在车身,减少撞车发生的悲剧。也许很快有一天D3O这种可硬可软的材料就会渗入我们生活的方方面面。

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