材料新贵族“吃软不吃硬”

姚丁杨

最近几年，在材料领域兴起了一个新贵族——它摸起来很软，但是在外力的作用下又变得很硬，正是由于这种优越的“防护特性”，使这款材料在运动保护、车辆外壳制造等领域展现出了极佳的应用前景。有没有觉得这种“吃软不吃硬”的特性科技感十足？这个材料新贵族还有个炫酷的名字——D3O材料。

D3O材料

D3O材料是一种特殊的高分子材料，外觀是橙红色，捏起来很柔软，和橡皮泥类似，但它能有效地防御突然的外力撞击。比如，你用这款“橡皮泥”把一个生鸡蛋包覆起来，那这个“鸡蛋”用锤子都很难砸坏。凭借这种“防撞击”的性质，D3O材料目前已经在上百种产品中获得应用，包括护膝、芭蕾舞鞋、手机壳等。

D3O材料是一位名叫理查德·帕莫的英国工程师发明的。据说理查德是一名滑雪爱好者，曾在一次滑雪事故中受伤，因此他非常希望找到一种材料能使他免受滑雪板带来的磕碰之苦。功夫不负有心人，理查德找到了这种材料，并以发明它的实验室命名——D3O。

那么，D3O材料为什么会有这种“吃软不吃硬”的性质呢？原因只有一句话：D3O材料是一种特殊的流体——非牛顿流体。

牛顿流体vs非牛顿流体

提到非牛顿流体，那就不得不了解一下牛顿流体。所谓牛顿流体，就是黏度仅受温度影响的流体。那黏度又是什么？黏度是描述流体流动阻力的量，简单地说，黏度高的物质不容易流动，黏度低的物质则容易流动。比如，水比蜂蜜更容易流动，就是因为水的黏度低，蜂蜜的黏度高。接着再说黏度和温度的关系，许多人应该都有类似的生活经验，就是有些比较黏稠的流体加热后，就会变得没那么黏了。比如我们汽车发动机上的油，冬天的时候往往会变得又厚又黏，所以很难打着火，但是一旦发动机变热了，上面的油就没那么黏了。

我们常见的流体水和油，就是典型的牛顿流体，不管它们流过管道的速度有多快，它们的黏度是恒定的，温度是影响其黏度的唯一因素。然而，有些流体的黏度除了和温度相关，还会受到包括搅拌、压力等其他因素的影响，这些流体就被称为非牛顿流体。

越晃动越结实的流体

根据流体在外力作用下黏度变化的不同，非牛顿流体又分为剪切稀化流体和剪切稠化流体。

顾名思义，剪切稀化流体就是在剪切力（比如晃动和搅拌）的作用下黏度会变小的流体。我们日常所接触的番茄酱、剃须膏、油漆都属于剪切稀化流体。回想一下，我们每次摇晃或者敲打番茄酱的瓶子，番茄酱是不是会更容易流出来？还有，我们把剃须膏放在手中揉搓，是不是它就会变薄并且更容易流动？这些都是剪切稀化的实例。另外，我们常在电影中看到的流沙，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，因为你用的所有力气只会用来降低流沙的黏度，从而加速流沙的移动。其实，流沙的密度是人体密度的两倍，只要你身体放轻松，就会自动浮上来。

与剪切稀化流体相对应的是剪切稠化流体，也就是在施加剪切力时，流体会变得更黏稠。玉米淀粉和水的混合物就属于典型的剪切稠化流体，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。看到这里，你应该就恍然大悟了——“吃软不吃硬”的D3O材料就是一种剪切稠化流体。

“吃软不吃硬”的秘密

前面提到，D3O材料是一种高分子材料。其实很多的高分子材料都是非牛顿流体。所谓高分子材料，是一类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。我们初中的化学课本上就讲过，物质是由一个个分子“堆积”后形成的，而构成高分子材料的分子是一条条长链，而这些长链通过不同的方式排列、缠结，则会大大影响材料的性能。我们常见的塑料、橡胶、人造纤维等都属于高分子材料。

D3O材料主要由油性液体润滑剂和悬浮在其中的大分子链混合而成。当作用力缓慢施加到剪切增稠流体时，大分子链有时间移动并重新排列，因此黏度不受影响;但如果我们快速施加作用力时，大分子链没有足够的时间重新排列，它们就会彼此纠缠在一起，使流体黏度大大增加。我们可以打个比方，想象一下春运时的火车站，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，每个人都有秩序地排队往前走，那么大家最终都能有序离开。

大显身手的D3O

D3O材料是一种理想的运动保护材料，这也与理查德·帕莫发明这一材料的动机相吻合。用D3O材料制作的护膝和护肘，在正常状态下容易流动，因此佩戴简单舒适，也不会影响佩戴者的活动。一旦摔倒，肘部、膝盖撞到地面，D3O会立即“变硬”，与传统护膝相比，这种D3O材料护具提供了更大程度的保护。

D3O材料还可以作为军事防护材料，用于保护警察和军人的生命。传统的防弹背心和其他类型的防弹衣由于过于笨重会导致士兵行动不便，甚至影响任务的执行，所以并不那么受欢迎。目前，已经有了一种新型的防弹衣，它选用D3O做内胆，外面覆盖一层聚氨酯。在受到子弹或弹片的冲击力后，聚氨酯能将这种应力分散至整个防弹衣，随后D3O变硬，吸收应力，从而起到保护穿戴者的作用。

D3O材料还有一个用途就是做手机外壳。目前，智能手机普及率极高，如若你有一个D3O材料做的手机壳，你就再也不用担心手机掉在地上导致的碎屏或者裂痕了。

当然，D3O材料还有一个巨大的应用前景——车辆外壳，如果我们把这种材料用于汽车车身，必将大大减少撞车造成的人员伤亡。当然，将D3O材料用于车辆外壳还需要诸多的技术攻关。但我们有理由相信，随着科学家的不懈努力，也许有一天，D3O这种“吃软不吃硬”的材料会渗入我们生活的方方面面。

【责任编辑】张小萌endprint