『壹』 液體都可編程了哈佛新型超材料登Nature，粘度透明度彈性可變
液體都有「智能」、可編程了？
最近，一種被稱為「智能"液體的多功能可編程的新型超材料——Metafluid，登上了Nature。
它由哈佛大學SEAS的研究團隊研發，據說可自由調節彈性、光學特性、粘度。
甚至能夠在牛頓流體和非牛頓流體之間轉換。
研究人員表示，有了這些buff屬性加成，該流體在編程液壓機器人、智能減震器、光學設備中都有巨大的應用潛力。
可編程的「智能液體」
為什麼說可用於編程液壓機器人等技術？奧秘就在這張圖中：
來看研究人員的展示。
研究人員設計了一個抓取器，用空氣和水作對照，通過抓取玻璃瓶、鵪鶉蛋、藍莓，來表現Metafluid對抓取器具有彈性控制能力的原理。
裝置如下圖，一個注射器從一頭注入，另一頭的注射器受壓力驅動「抓手」：
注入空氣量相同的情況下，玻璃瓶剛好能抓穩，鵪鶉蛋和藍莓直接被壓爛。
注入水量相同的情況下，玻璃瓶剛好能抓穩，鵪鶉蛋和藍莓這邊又壓力太小碰都碰不到：
也就是說，使用空氣和水都很難找到一個供給體積ΔV能夠成功抓取三種物品。
而這種Metafluid，可以明顯找到一個能成功抓取三樣物品的ΔV，可適應不同物體的大小和所需的抓取力度：
下面這個實驗，將Metafluid的彈性可壓縮更直觀的表現了出來，壓力影響下，甘油很快就把軟管撐起了一個大包，而Metafluid的臨界點顯然還要靠後一些：
而且它的黏性和流動性也會發生變化：
那這種流體是怎麼做出來的？為何會有這些屬性？
原來是「球球大作戰」
眾所周知，超材料是一種人造材料，其特性由其結構而不是成分決定。傳統上，大多數超材料都是固態的，即構建塊被布置在晶格結構內的固定位置。
最近有些研究認為將不相連的構建塊混合在流體介質中具有巨大潛力。哈佛研究人員正是受到了這種研究思路的啟發，制出了Metafluid。
經過一系列展示，想必有人也已經猜到了，構建Metafluid的關鍵，是一種可高度變形的彈性空心球形膠囊。將球形膠囊混合到不可壓縮的懸浮液中，Metafluid就製成了。
原理簡單來講，就是當液體內部的壓力增加時，膠囊屈曲，也就是塌陷形成類似透鏡的半球狀。
△膠囊屈曲後在流體中的流動現象
當那個壓力被移除時，膠囊會彈回到它們的球形狀態，由此改變液體粘度和透明度等屬性，而膠囊的數量、厚度和大小也會有影響。
△去除壓力膠囊還原成球形狀態
具體來說，研究人員先是製作了兩種規模的膠囊：厘米級和微米級。
其中厘米級膠囊使用硅橡膠材料，通過3D列印模具來製作。
也有兩個size：
微米級膠囊使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料，採用微流控共軸流聚焦技術製造，外半徑（Ro）約為250微米，殼體厚度（t）約為65微米。
然後，研究人員使用厘米級膠囊進行了單膠囊、多膠囊實驗，此外還進行了微米級膠囊實驗。
厘米級膠囊實驗中，研究人員將膠囊放置在一個玻璃圓柱容器中，容積為Vtot，並用水作為懸浮液完全填充。之後用注射泵慢慢引入額外的水ΔV，通過差壓感測器測量容器內的壓力。
他們先分別用單個的厘米級小膠囊和大膠囊做了實驗。
將單個小膠囊放入容積300ml的容器中。他們觀察到的壓力-體積曲線與水相比有顯著差異，不僅因為膠囊增加了流體的可壓縮性，還因為在臨界壓力Pcr=120kPa處出現了明顯的壓力下降。
這一下降正是由膠囊彈性殼體的突變形引起，隨著ΔV的增加，形成的凹陷更為明顯。當ΔV減少時，凹陷逐步減小，並且當壓力下降至臨界壓力Pdown=50kPa時，膠囊會彈性回復至球形，產生滯後效應。
如下圖c紅線所示，單個大膠囊實驗中，在較低的初始體積模量（K0=18 MPa）下，在P=120kPa處仍然出現了壓力下降。這也就意味著Metafluid的初始體積模量和臨界壓力可以通過改變膠囊體積分數和膠囊殼厚度與外半徑的比值來分別獨立調整。
接下來，研究人員在更大的容器中填充27個小膠囊，保持膠囊體積分數和殼體厚度與外半徑比值不變。如上圖c綠線，實驗顯示所有膠囊在臨界壓力附近同時發生屈曲，但與單個膠囊相比，壓力突降被多個小的突降所取代，形成了壓力平台。
微米級膠囊實驗中，懸浮液改為硅油。
微米級膠囊懸浮液的壓力-體積曲線顯示出與厘米級膠囊相似的非線性行為，但由於製造過程中的幾何缺陷，微尺度膠囊的Metafluid沒有那麼明顯的平台現象。
△球形膠囊在流體中的流動現象
研究人員還研究了膠囊屈曲對Metafluid光學特性的影響。他們使用COMSOL軟體進行光線追蹤模擬，發現球形和屈曲狀態的膠囊顯示出不同的散射行為。
實驗中，他們測量了通過微米級膠囊懸浮液傳輸的光功率，並發現在膠囊屈曲時，透射率顯著增加。這種變化歸因於膠囊屈曲造成的「透鏡效應」和膠囊覆蓋面積的減少。
此外，研究人員還探討了膠囊屈曲對Metafluid流變性的影響。他們使用平行板流變儀來測量Metafluid在不同膠囊狀態下的粘度。
結果表明，當膠囊處於球形狀態時，Metafluid表現出牛頓流體的特性，而當膠囊屈曲時，Metafluid轉變為非牛頓剪切稀化流體。
△膠囊屈曲後形成聚集體
這種轉變歸因於膠囊屈曲後形成的聚集體，這些聚集體在高剪切率下會逐漸破裂。
研究人員表示接下來還計劃探索這種Metafluid的聲學和熱力學屬性：
這種可擴展、易於生產的Metafluid的應用空間是巨大的。 我們的探索還停留在表面。
『貳』 「流變」是什麼意思
流變學是研究在外力作用下，物體的變形和流動的學科。1920年利哈伊大學教授尤金·賓漢正式提出這一名稱，來源於赫拉克利特的經典名言「一切皆流」
為了研究力引起的變形，流變學有實驗與理論模擬兩個互相促進的途徑。試驗方面採用多種流變儀，比如毛細管流變儀來測量在不同剪切應力作用下，流體粘度、流速等的變化，再進行分析，從中得出該物質的模量、分子量等重要性質。醫學檢查上常用的血流變測定也是此原理。也可以通過流變儀模擬流體在注射等成型過程中所受的應力和流體的變形，使得流變學成為研究高分子加工過程所必需的內容。
理論模擬是通過實驗數據提出符合此類物質的物理背景，將其與普適的數學模型相結合。目標是可以通過數學計算描述流體運動。其物理背景較為復雜，對於純彈性物體，可以用胡克定律來描述，即應力與應變成正比。對於牛頓流體，可以用應力＝粘度×應變速率來描述。但是現實中的固體存在不符合胡克定律的塑性變形，液體也全是非牛頓流體。特別對於高分子，具有粘彈性性質，情況復雜。其數學模型主要藉助於連續介質力學。目前對於一般流體的簡單流動，理論模擬效果較好，但是對於復雜流道，由於存在很多復雜的邊界效應，目前的計算能力還無法給出比較好的結果，這也成為近來流變學研究的重要方向。
流變學作為一門研究物質流動與變形的學科，與化學特別是膠體化學、高分子化學密切相關。隨著三大合成材料工業的不斷發展，近年來流變學研究也迅速發展起來，世界各國尤其是各工業發達國家紛紛成立了流變學會，如英國、德國、法國、荷蘭、瑞典、日本、墨西哥、加拿大等。由於流變學具有交叉邊緣學科的特點，因此它的應用范圍相當廣泛。
在石油、石化行業中的應用
由於從原油開采技術，如三次採油、完井等，到原油儲運、短線運輸、酸化壓裂、聚合物壓裂以及清潔膠束壓裂液，無不與流變學有關。因此，流變學在該行業得到了廣泛重視，並得到了良好的普及。
強化採油 新打的油井能保持一定的壓力，自噴出一部分原油，但當油井壓力開始下降時，二次採油即將開始。注水時在油水界面容易產生粘性指進現象，不利於採油，此時尚有50％的原油未能采出。強化採油即三次採油的潛力很大。三次採油的方法之一為高分子溶液灌注，所選材料有較柔性的聚丙烯醯胺和較剛性的黃原膠，雖然它們在剪切流場中行為相似，但在拉伸流場中則迥然不同，這點必須用流變學的觀點判斷清楚。
聚合物加工 通常聚合物必須經過再加工才能應用，而加工又分為注塑、擠出、壓延、吹塑、紡絲等過程。但是，不管什麼形式的加工，其中都充滿了流變學的問題。歐美等工業發達國家均有專家專門研究聚合物加工發達國家均有專家專門研究聚合物加工流變學，每年還召開年會進行學術交流。由於國外已經開發出以流變學為基礎計算機設計應用軟體，因此，可以製造出大型塑料汽車鑄件和大型飛機機身鑄件。
農用薄膜的製造通常採用吹塑工藝。吹塑主要是通過聚合熔體進行，即熔體以管或泡的形式從擠壓機出來後拉成薄膜，使其達到最終的厚度和分子取向。此時原料的拉伸粘度很明顯是重要的流變參數。所以，流變學中拉伸粘度的測定被認為是具有工業重要性的研究，也就不足為奇了。
潤滑油製造 潤滑油中添加高分子稠化劑的目的是為了降低粘度隨溫度激烈變化的程度，使其在高溫時可以保持良好的動力潤滑，低溫時也不會有過多的磨損。汽車用油的粘度用等級來代表，採用流變添加劑可製成滿足多種等級需要的汽油。添加劑可以使基礎油的粘度增加3倍以上。在潤滑油中可以測出粘彈性效應，但是潤滑劑流變學認為，粘彈性和增大的粘度均有利於支撐負荷。
在醫葯領域中的應用
生物流變學 如果說傳統的流變學是應工業需要發展起來的，那麼，生物流變學則是隨著生命科學的發展應運而生的。在生物流變學中目前研究最廣泛深入的是血液和血管流變學，是現代醫學和理工科學之間的一門重要邊緣學科。
此外，還應用在臨床醫學、制葯等領域。
在輕工領域中的應用
輕工產品如牙膏、化妝品、清潔劑中必須用流變學指標控制質量和調節配方。以牙膏為例，人們使用牙膏時擠出要容易，擠出後要求挺括，在牙刷上不能下陷，刷牙時又要輕松，這就是要求牙膏遇剪時粘度迅速下降，而靜止時又要具備一定的屈服應力，以保持堅挺。
我國流變學的應用研究起步較晚，20世紀60年代還只有個別自發研究，目前的應用研究領域較少，甚至連流變學賴以發展的聚合物加工行業也知之不多。以塑料製品為例，塑料廠引進的模具「吃」進口的聚合物粒子時，製品光滑、美觀，可以和國外的同類產品相媲美，而一旦換成國產原料粒子時，產品質量就下降。這是因為所使用的模具是按國外原料的流變性能設計的，而國產原料的流變性與進口原料並不完全相同，所以製品質量下降。盡管生產廠對模具進行完善修改，但也只是憑經驗做機械上的改動，並未考慮到粒子的流變性。
目前，流變學應用研究在我國遠未普及，更談不上發揮它應有的作用。為加強我國流變學的研究，建議相關部門在政策上對流變學這類交叉學科予以扶持，同時在高校尤其是重點高校的有關專業，如化學工程、聚合物加工等，開設流變學課程，特別是對碩士、博士研究生等高級研究人才的培養更為迫切和重要。