『壹』 液体都可编程了哈佛新型超材料登Nature，粘度透明度弹性可变
液体都有“智能”、可编程了？
最近，一种被称为“智能"液体的多功能可编程的新型超材料——Metafluid，登上了Nature。
它由哈佛大学SEAS的研究团队研发，据说可自由调节弹性、光学特性、粘度。
甚至能够在牛顿流体和非牛顿流体之间转换。
研究人员表示，有了这些buff属性加成，该流体在编程液压机器人、智能减震器、光学设备中都有巨大的应用潜力。
可编程的“智能液体”
为什么说可用于编程液压机器人等技术？奥秘就在这张图中：
来看研究人员的展示。
研究人员设计了一个抓取器，用空气和水作对照，通过抓取玻璃瓶、鹌鹑蛋、蓝莓，来表现Metafluid对抓取器具有弹性控制能力的原理。
装置如下图，一个注射器从一头注入，另一头的注射器受压力驱动“抓手”：
注入空气量相同的情况下，玻璃瓶刚好能抓稳，鹌鹑蛋和蓝莓直接被压烂。
注入水量相同的情况下，玻璃瓶刚好能抓稳，鹌鹑蛋和蓝莓这边又压力太小碰都碰不到：
也就是说，使用空气和水都很难找到一个供给体积ΔV能够成功抓取三种物品。
而这种Metafluid，可以明显找到一个能成功抓取三样物品的ΔV，可适应不同物体的大小和所需的抓取力度：
下面这个实验，将Metafluid的弹性可压缩更直观的表现了出来，压力影响下，甘油很快就把软管撑起了一个大包，而Metafluid的临界点显然还要靠后一些：
而且它的黏性和流动性也会发生变化：
那这种流体是怎么做出来的？为何会有这些属性？
原来是“球球大作战”
众所周知，超材料是一种人造材料，其特性由其结构而不是成分决定。传统上，大多数超材料都是固态的，即构建块被布置在晶格结构内的固定位置。
最近有些研究认为将不相连的构建块混合在流体介质中具有巨大潜力。哈佛研究人员正是受到了这种研究思路的启发，制出了Metafluid。
经过一系列展示，想必有人也已经猜到了，构建Metafluid的关键，是一种可高度变形的弹性空心球形胶囊。将球形胶囊混合到不可压缩的悬浮液中，Metafluid就制成了。
原理简单来讲，就是当液体内部的压力增加时，胶囊屈曲，也就是塌陷形成类似透镜的半球状。
△胶囊屈曲后在流体中的流动现象
当那个压力被移除时，胶囊会弹回到它们的球形状态，由此改变液体粘度和透明度等属性，而胶囊的数量、厚度和大小也会有影响。
△去除压力胶囊还原成球形状态
具体来说，研究人员先是制作了两种规模的胶囊：厘米级和微米级。
其中厘米级胶囊使用硅橡胶材料，通过3D打印模具来制作。
也有两个size：
微米级胶囊使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料，采用微流控共轴流聚焦技术制造，外半径（Ro）约为250微米，壳体厚度（t）约为65微米。
然后，研究人员使用厘米级胶囊进行了单胶囊、多胶囊实验，此外还进行了微米级胶囊实验。
厘米级胶囊实验中，研究人员将胶囊放置在一个玻璃圆柱容器中，容积为Vtot，并用水作为悬浮液完全填充。之后用注射泵慢慢引入额外的水ΔV，通过差压传感器测量容器内的压力。
他们先分别用单个的厘米级小胶囊和大胶囊做了实验。
将单个小胶囊放入容积300ml的容器中。他们观察到的压力-体积曲线与水相比有显著差异，不仅因为胶囊增加了流体的可压缩性，还因为在临界压力Pcr=120kPa处出现了明显的压力下降。
这一下降正是由胶囊弹性壳体的突变形引起，随着ΔV的增加，形成的凹陷更为明显。当ΔV减少时，凹陷逐步减小，并且当压力下降至临界压力Pdown=50kPa时，胶囊会弹性回复至球形，产生滞后效应。
如下图c红线所示，单个大胶囊实验中，在较低的初始体积模量（K0=18 MPa）下，在P=120kPa处仍然出现了压力下降。这也就意味着Metafluid的初始体积模量和临界压力可以通过改变胶囊体积分数和胶囊壳厚度与外半径的比值来分别独立调整。
接下来，研究人员在更大的容器中填充27个小胶囊，保持胶囊体积分数和壳体厚度与外半径比值不变。如上图c绿线，实验显示所有胶囊在临界压力附近同时发生屈曲，但与单个胶囊相比，压力突降被多个小的突降所取代，形成了压力平台。
微米级胶囊实验中，悬浮液改为硅油。
微米级胶囊悬浮液的压力-体积曲线显示出与厘米级胶囊相似的非线性行为，但由于制造过程中的几何缺陷，微尺度胶囊的Metafluid没有那么明显的平台现象。
△球形胶囊在流体中的流动现象
研究人员还研究了胶囊屈曲对Metafluid光学特性的影响。他们使用COMSOL软件进行光线追踪模拟，发现球形和屈曲状态的胶囊显示出不同的散射行为。
实验中，他们测量了通过微米级胶囊悬浮液传输的光功率，并发现在胶囊屈曲时，透射率显著增加。这种变化归因于胶囊屈曲造成的“透镜效应”和胶囊覆盖面积的减少。
此外，研究人员还探讨了胶囊屈曲对Metafluid流变性的影响。他们使用平行板流变仪来测量Metafluid在不同胶囊状态下的粘度。
结果表明，当胶囊处于球形状态时，Metafluid表现出牛顿流体的特性，而当胶囊屈曲时，Metafluid转变为非牛顿剪切稀化流体。
△胶囊屈曲后形成聚集体
这种转变归因于胶囊屈曲后形成的聚集体，这些聚集体在高剪切率下会逐渐破裂。
研究人员表示接下来还计划探索这种Metafluid的声学和热力学属性：
这种可扩展、易于生产的Metafluid的应用空间是巨大的。 我们的探索还停留在表面。
『贰』 “流变”是什么意思
流变学是研究在外力作用下，物体的变形和流动的学科。1920年利哈伊大学教授尤金·宾汉正式提出这一名称，来源于赫拉克利特的经典名言“一切皆流”
为了研究力引起的变形，流变学有实验与理论模拟两个互相促进的途径。试验方面采用多种流变仪，比如毛细管流变仪来测量在不同剪切应力作用下，流体粘度、流速等的变化，再进行分析，从中得出该物质的模量、分子量等重要性质。医学检查上常用的血流变测定也是此原理。也可以通过流变仪模拟流体在注射等成型过程中所受的应力和流体的变形，使得流变学成为研究高分子加工过程所必需的内容。
理论模拟是通过实验数据提出符合此类物质的物理背景，将其与普适的数学模型相结合。目标是可以通过数学计算描述流体运动。其物理背景较为复杂，对于纯弹性物体，可以用胡克定律来描述，即应力与应变成正比。对于牛顿流体，可以用应力＝粘度×应变速率来描述。但是现实中的固体存在不符合胡克定律的塑性变形，液体也全是非牛顿流体。特别对于高分子，具有粘弹性性质，情况复杂。其数学模型主要借助于连续介质力学。目前对于一般流体的简单流动，理论模拟效果较好，但是对于复杂流道，由于存在很多复杂的边界效应，目前的计算能力还无法给出比较好的结果，这也成为近来流变学研究的重要方向。
流变学作为一门研究物质流动与变形的学科，与化学特别是胶体化学、高分子化学密切相关。随着三大合成材料工业的不断发展，近年来流变学研究也迅速发展起来，世界各国尤其是各工业发达国家纷纷成立了流变学会，如英国、德国、法国、荷兰、瑞典、日本、墨西哥、加拿大等。由于流变学具有交叉边缘学科的特点，因此它的应用范围相当广泛。
在石油、石化行业中的应用
由于从原油开采技术，如三次采油、完井等，到原油储运、短线运输、酸化压裂、聚合物压裂以及清洁胶束压裂液，无不与流变学有关。因此，流变学在该行业得到了广泛重视，并得到了良好的普及。
强化采油 新打的油井能保持一定的压力，自喷出一部分原油，但当油井压力开始下降时，二次采油即将开始。注水时在油水界面容易产生粘性指进现象，不利于采油，此时尚有50％的原油未能采出。强化采油即三次采油的潜力很大。三次采油的方法之一为高分子溶液灌注，所选材料有较柔性的聚丙烯酰胺和较刚性的黄原胶，虽然它们在剪切流场中行为相似，但在拉伸流场中则迥然不同，这点必须用流变学的观点判断清楚。
聚合物加工 通常聚合物必须经过再加工才能应用，而加工又分为注塑、挤出、压延、吹塑、纺丝等过程。但是，不管什么形式的加工，其中都充满了流变学的问题。欧美等工业发达国家均有专家专门研究聚合物加工发达国家均有专家专门研究聚合物加工流变学，每年还召开年会进行学术交流。由于国外已经开发出以流变学为基础计算机设计应用软件，因此，可以制造出大型塑料汽车铸件和大型飞机机身铸件。
农用薄膜的制造通常采用吹塑工艺。吹塑主要是通过聚合熔体进行，即熔体以管或泡的形式从挤压机出来后拉成薄膜，使其达到最终的厚度和分子取向。此时原料的拉伸粘度很明显是重要的流变参数。所以，流变学中拉伸粘度的测定被认为是具有工业重要性的研究，也就不足为奇了。
润滑油制造 润滑油中添加高分子稠化剂的目的是为了降低粘度随温度激烈变化的程度，使其在高温时可以保持良好的动力润滑，低温时也不会有过多的磨损。汽车用油的粘度用等级来代表，采用流变添加剂可制成满足多种等级需要的汽油。添加剂可以使基础油的粘度增加3倍以上。在润滑油中可以测出粘弹性效应，但是润滑剂流变学认为，粘弹性和增大的粘度均有利于支撑负荷。
在医药领域中的应用
生物流变学 如果说传统的流变学是应工业需要发展起来的，那么，生物流变学则是随着生命科学的发展应运而生的。在生物流变学中目前研究最广泛深入的是血液和血管流变学，是现代医学和理工科学之间的一门重要边缘学科。
此外，还应用在临床医学、制药等领域。
在轻工领域中的应用
轻工产品如牙膏、化妆品、清洁剂中必须用流变学指标控制质量和调节配方。以牙膏为例，人们使用牙膏时挤出要容易，挤出后要求挺括，在牙刷上不能下陷，刷牙时又要轻松，这就是要求牙膏遇剪时粘度迅速下降，而静止时又要具备一定的屈服应力，以保持坚挺。
我国流变学的应用研究起步较晚，20世纪60年代还只有个别自发研究，目前的应用研究领域较少，甚至连流变学赖以发展的聚合物加工行业也知之不多。以塑料制品为例，塑料厂引进的模具“吃”进口的聚合物粒子时，制品光滑、美观，可以和国外的同类产品相媲美，而一旦换成国产原料粒子时，产品质量就下降。这是因为所使用的模具是按国外原料的流变性能设计的，而国产原料的流变性与进口原料并不完全相同，所以制品质量下降。尽管生产厂对模具进行完善修改，但也只是凭经验做机械上的改动，并未考虑到粒子的流变性。
目前，流变学应用研究在我国远未普及，更谈不上发挥它应有的作用。为加强我国流变学的研究，建议相关部门在政策上对流变学这类交叉学科予以扶持，同时在高校尤其是重点高校的有关专业，如化学工程、聚合物加工等，开设流变学课程，特别是对硕士、博士研究生等高级研究人才的培养更为迫切和重要。