受压后会产生裂纹的……“液体”？

先看一个动图，高速摄像机拍摄的材料受应力后的反应。

图片来源：Commun. Phys.

不知道大家怎么想，笔者看完之后脑袋里蹦出的是——这是不是玻璃的破裂过程？裂纹产生并扩展开……不对啊！仔细看看，前面新产生的裂纹还在延伸的时候，后面的旧裂纹怎么有些居然慢慢消失了？

现在先揭晓答案，其实这种材料是玉米淀粉悬浮液，所受到的应力来自通入的高压空气。玉米淀粉悬浮液？不就是水兑点玉米淀粉，按说也是液体啊（准确点说应该是“流体”）？怎么会像固体一样受压后裂开呢？

虽说就是水兑点玉米淀粉，但这种颗粒悬浮液的物理性质却与水里兑点盐形成的水溶液大不相同。比如，当装满水溶液的气球被高速飞行的高尔夫球击中时，效果是这样的：

图片来源于网络

如果把水溶液换成淀粉悬浮液，效果就完全不一样了。

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对于其中的原理，说起来也很简单，这是因为淀粉悬浮液是非牛顿流体，也就是不满足牛顿粘性定律的流体，剪应力与剪切应变率之间不是线性关系。淀粉悬浮液的粘度会随着剪切速率增大非连续性上升，体系由类液态变为类固态，这个过程称为非连续性剪切增稠（discontinuous shear thickening, DST）。而DST的机制，通俗说就是在搅拌、冲击该类流体时体系内的颗粒会被挤压在一起，这使原本不接触的颗粒产生摩擦，从而极大地增加悬浮物的粘度，整体上呈现出粘度增大的性质。除了淀粉悬浮液，生活中还有很多物质都是非牛顿流体，比如调味酱、牛奶等。这里要说明的一点，并非所有的非牛顿流体都会产生剪切增稠现象，还有不少非牛顿流体粘度会随着剪切速率增大而下降，比如番茄酱，挤得越快越省力。

在淀粉悬浮液上骑自行车。图片来源于网络。

最近，英国斯旺西大学的Bjørnar Sandnes教授等人采用了一种新方法来观察DST现象。他们将淀粉悬浮液放置在一个狭小的Hele-Shaw cell内，然后将高压空气通入淀粉悬浮液，并用高速摄像机拍摄空气逸出的过程，由此直接观察悬浮液的DST行为。他们发现受不同淀粉浓度和空气压力的影响，淀粉悬浮液在受到冲击时会表现三种不同的流动模式：粘性指进（viscous fingering, VF)、枝状碎裂（dendritic fracturing, DFr）和大尺度碎裂（large-scale fracturing, Fr)。

不同流动模式：VF（a）、DFr（b）和（c）。图片来源：Commun. Phys.

淀粉悬浮液是一种常见易得的模型，并且是一种典型的非牛顿流体。作者用来研究淀粉悬浮液的实验装置包括一个Hele-Shaw cell和一个高速摄像机，将淀粉悬浮液置于槽内之后从上边的入口处导入高压空气，然后从槽的背面用摄像机观察淀粉悬浮液的变化。

实验装置图。图片来源：Commun. Phys.

作者以平均粒径为16.1 μm的淀粉颗粒为模型，通过改变颗粒的体积分数（淀粉浓度）、空气压力发现流体的流动模式有所不同，即粘性指进（VF)、枝状碎裂（DFr）和大尺度碎裂（Fr），而这三种模式的堆积分数范围分别对应于通常观察到的连续剪切增稠（CST）、DST和剪切阻塞（shear jamming, SJ）的堆积分数。对于VF，它是在空气压力较低或者淀粉浓度较小时出现的模式；随着气压增大会出现DFr模式，在该过程中有很多裂纹分支出现，每个分支还可产生垂直的子分支；而当气压继续升高后会出现Fr模式，此时流体的行为类似于固体的冰碎裂的过程。还有一点非常有意思，只要施加的压力低于临界应力（~0.5 bar），即使在最高淀粉浓度下也能观察到VF模式，即类似液体的行为。

基于颗粒体积分数与空气压力所得的相图。图片来源：Commun. Phys.

简单来说，高压空气带来的应力超过某个临界值之后，淀粉悬浮液的流动模式就从类似液体的模式变为类似固体的模式，压力进一步增大，流动模式就更进一步像固体“靠拢”。

还剩下一个问题，最开始动图里观察到的旧的裂纹慢慢消失又是怎么回事呢？原来，这是淀粉悬浮液的DST弛豫现象。高压空气引起的局部应力前沿以裂纹的形式通过悬浮液，不断前进。但是，一旦前沿通过，局部应力就会降低，淀粉悬浮液从类固体行为恢复为类液体行为，裂纹消失。与此同时，前沿继续以裂纹形式向前延伸。这也表明，DFr模式是一种局部DST响应，而Fr模式是一种全局响应。

就像作者所说，淀粉悬浮液剪切增稠的现象相当很有趣，淀粉颗粒之间的摩擦就像开关一样可以打开和关闭。当外界应力较小时，淀粉颗粒并不会因此而接触，颗粒之间没有摩擦力；当流体受到应力超过临界值时，颗粒瞬间接触并产生摩擦力，流体就变得像固体一样；而当应力消失时，流体又可恢复类似液体的性质。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Flow-to-fracture transition and pattern formation in a discontinuous shear thickening fluid

Deren Ozturk, Miles L. Morgan, Bjørnar Sandnes

Commun. Phys., 2020, 3, 119, DOI: 10.1038/s42005-020-0382-7

（本文由Sunshine供稿）