非牛顿流体原理制作防弹衣（科学家研发出铁布衫）

武侠剧中常常会提到一种“铁布衫”，穿在身上不仅能刀枪不入，还能刺伤敌人。

创造这种神奇服饰的灵感来自于古代战争中的一种金属铠甲——锁子甲，它由一个个铁环相扣而成，具有柔软、透气性好、防护性强等特点，能有效抵挡刀枪剑戟等利器的攻击。

如今，科学家研发出了一种类似锁子甲的新材料，“吃软不吃硬”，能根据承受的压力进行软硬切换。

撰稿 | Laurent Orgéas

编译 | 乔木

图源 | pixabay/pexels

No.1神奇的新材料

这种神奇的面料是由美国加州理工学院的科学家开发的，由3D打印的聚合物联锁而成。

这种面料能在柔软和坚硬的状态间进行切换：由于互锁颗粒，这种面料具有高抗拉强度，仅在较小的外部压力下（93千帕）就会变得比柔软状态硬25倍；而处于柔软状态时，这种面料易弯折，能披挂在复杂物体表面。

而且，这种面料制成的织物，最大载重量可达自身重量的30倍以上。8月12 日，相关研究论文发表国际著名学术期刊《自然》上。

在《自然》同期发表的一篇新闻与观点文章中，研究材料力学的科学家劳伦特·奥盖亚斯（Laurent Orgéas）评价道，这种材料有望用于制造面向生物医学、运动或军事应用的外骨骼，或是搭建临时避难所等。

No.2非牛顿流体

普通面料和织物的特性通常由材质的天然特性和编织结构共同决定，而智能面料具有适应性，比如会根据外在刺激发生改变。

科学家此次研发出的面料的神奇之处在于：人们将它穿在身上时，它十分柔软，可以贴合皮肤、自然垂落；而它在受到外力作用时，却可以变得坚硬无比。

你或许觉得这违反常识，但事实上，这种现象在生活中屡见不鲜。例如：生淀粉糊。当淀粉与水混合成糊状后，缓慢倾斜容器，淀粉糊会像液体一样流动；但如果用力快速搅动淀粉，那么淀粉糊就会变得坚硬。如果你持续用筷子搅动淀粉糊，它的坚硬程度甚至能将筷子折断。

再比如：沼泽和口香糖。当你陷在沼泽地里时，越是挣扎，你会陷得越深；当你用力将椰子快速砸向被捏成尖锥形的口香糖时，椰子甚至会裂开。

这些都是“吃软不吃硬”的非牛顿流体，又称剪切增稠流体。顾名思义，非牛顿流体在受力较缓慢的情况下，产生的阻力较小；在受力较大时，就会产生较大的阻力。人身上的血液、淋巴液、囊液等多种体液以及像细胞质那样的半流体都属于非牛顿流体。

非牛顿流体同时具有流体的塑性和固体的刚性，而此次研发出的面料也具有同样的性质。

No.3更高的抗弯曲变形能力

此次研究中的面料是一种由两层互锁颗粒组成的结构化织物。据论文描述，这种织物材料在围压下会发生相变，从而改变机械性能，由柔软向坚硬转变。

科学家重新审视了这种面料的机制，重点研究了面料发生相变的过程。结果表明，使用围压作为驱动力，可以从根本上改变这种织物的拉伸和弯曲性能，而且这种变化是可逆的。

当科学家将这种面料放入一个柔软的密封塑料袋中并抽出空气时，面料承受的围压足以使织物发生相变。

为了弄清这种面料在压力下变硬的基本机制，科学家使用数值模拟了颗粒之间的相互作用和位移。结果发现，在相同的围压下，对没有互锁结构的织物来说，互锁织物会表现出更高的弯曲模量（大约高3倍，弯曲模量指材料在弹性极限内抵抗弯曲变形的能力）。

这可归因于互锁结构引起的颗粒之间的拉伸阻力，这种阻力在松散的颗粒聚集体中是不存在的。

No.4良好的可重构性

据论文描述，这种织物具有很好的可重构性，可以像纸一样弯曲折叠，或者固定成特定的形状，比如像桥一样的拱形。

在固定成某种形状后，织物仍具有承重能力。水平悬空放置的织物和呈拱形的织物在承受压力时，仍具有机械刚性，能够承受超过自身30倍的重量。

这种成形能力对于可穿戴和可重构结构尤其重要，或将预示穿戴式可重构结构的光明前景。

而且，3D打印作为一种成熟的加工方式，可使得这种织物应用得更为广泛，让“铁布衫”真正地出现在现代社会中。

未来，或许人人都能拥有这样一件“铁布衫”。

【《奇点科学》是欧洲经典科普杂志Science Illustrated（科学画报）版权合作方，专注报道令人兴奋的前沿科技进展，让读者提前看见未来。】

参考资料

[1]https://www.nature.com/articles/d41586-021-02116-2

[2]http://www.360doc.com/content/19/1108/14/40128240_871886299.shtml

[3]https://www.docin.com/p-1761522545.html