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Acoustic modulation of shear thickening transition in dense adhesive suspensions

本研究证明，高频超声并非直接降低浓稠粘合剂悬浮液的粘度，而是通过声流和波动流体动力破坏脆弱的力网络，从而将不连续剪切增稠转变推迟至更高的剪切速率，进而为控制此类材料的流动不稳定性提供了一种机制。

原作者： Aoxuan Wang, Fabrice Toussaint, Thomas Gibaud

发布于 2026-05-01

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原作者： Aoxuan Wang, Fabrice Toussaint, Thomas Gibaud

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象你有一桶混了水的湿沙子。如果你缓慢搅拌，它会像液体一样流动。但如果你剧烈搅拌，它突然会变成一块拒绝移动的固体块。这被称为“剪切增稠”，是泵送浓稠混合物（如水泥或玉米淀粉糊）的工业中常见的问题，因为管道可能堵塞或泵可能损坏。

科学家们早已知道，如果用高功率超声波（人类听不到的高频声波）轰击这些浓稠混合物，混合物似乎会变稀并重新更容易流动。但没人知道为什么会发生这种情况。是声音融化了颗粒吗？还是把它们打碎了？

本文使用一种特殊的玉米淀粉和水的混合物，专门研究这个问题。以下是他们发现结果的简要说明：

重大发现：并非融化，而是偏移

研究人员发现，超声波并没有以你可能想象的方式使混合物“变稀”。相反，它就像移动了球门柱。

把混合物想象成一辆拥有非常敏感加速器的汽车。通常，如果你踩下踏板（搅拌混合物）超过某个点，汽车会突然锁死车轮并停止（发生堵塞）。超声波并没有修复刹车；相反，它将那个“锁定点”推到了更远的地方。你必须更用力地踩踏板（搅拌得更快），混合物才会决定堵塞。

因此，超声波并没有改变混合物的性质；它只是推迟了它变成固体的时刻。

秘密机制：“多孔海绵”效应

为了理解这是如何运作的，作者使用了一个巧妙的类比。他们将浓稠、堵塞的玉米淀粉混合物视为一个海绵，它大部分是固体，但充满了充满水的小孔（孔隙）。

速度差异：超声波振动得极快（每秒约 15,000 次），而浓稠混合物反应缓慢。这就像非常快速地摇晃一块沉重且湿润的海绵。海绵本身（玉米淀粉颗粒）太重，无法随晃动移动，但小孔（孔隙）内的水却被剧烈地来回挤压。
拔河：在这个“海绵”内部，玉米淀粉颗粒紧紧“手拉手”，形成一条刚性链条，使混合物变硬。这些“握手”是摩擦力和粘性吸附力（像微小的胶水）的混合体。
破坏者：随着孔隙中的水高速来回拍击，它产生了微小且混乱的电流。这些电流推挤和拉扯颗粒，产生一种“拖曳”力。
- 想象颗粒们排成一队手拉手。周围拍击的水就像一个顽皮的孩子，从不同角度拉扯他们的手臂。
- 这些拉扯在链条中制造了“噪音”或不稳定性。为了不让链条断裂，混合物需要比平时被挤压得更用力。
- 由于超声波不断添加这种“拉扯噪音”，混合物需要更强的搅拌才能保持固态。如果你搅拌得不够用力，拉扯就会获胜，链条断裂，混合物再次像液体一样流动。

那么“声波”本身呢？

研究人员还检查了声波是否产生了稳定的水流（称为“声流”），从而将颗粒冲走。他们发现，在混合物的微小孔隙内部，这种效应太弱，不足以产生作用。主要的功臣是孔隙内部水的快速、混乱拍击，而不是流经孔隙的稳定河流。

结论

该论文得出结论：超声波充当了混合物的调节器。它并没有破坏混合物增稠的能力；它只是让混合物更难堵塞。你必须施加更大的应力才能让它锁死。

这是一件大事，因为它为工程师提供了一种实时控制这些浓稠、粘性混合物的方法。如果管道即将堵塞，你可以用超声波轰击它来“解锁”堵塞，保持流动，而无需停止机器或改变混合物的化学配方。这就像拥有一个遥控器，告诉混合物：“还没到时候，继续流动！”

以下是论文《致密粘性悬浮液中剪切增稠转变的声学调制》（作者：Wang, Toussaint 和 Gibaud）的详细技术总结。

1. 问题陈述

非布朗粒子的致密悬浮液（例如水中的玉米淀粉）会表现出不连续剪切增稠（DST）。在该机制下，材料在高剪切应力作用下会突然从类流体状态转变为类固体的阻塞（jammed）状态。这种现象由摩擦性承载力网络的形成所驱动，并常伴随着巨大的间歇性应力波动和密度波。

DST 给工业加工（如水泥浆料的泵送、混合、挤出）带来了重大挑战，因为它可能导致灾难性的设备故障。虽然已观察到高功率超声波能降低此类材料的表观粘度，但其背后的物理机制尚不清楚。具体而言，目前尚不清楚超声波是直接使阻塞网络流体化，还是改变了剪切增稠转变发生的条件。

2. 方法论

作者利用定制的**流变 - 超声（Rheo-US）**装置研究了致密粘性玉米淀粉悬浮液。

样品： 分散在水中的玉米淀粉颗粒（平均半径 $r_{cs} \approx 7 \, \mu\text{m}$ ），通过密度匹配（使用 CsCl）防止沉降。研究聚焦于质量浓度 $c_w = 39\%$ （体积分数 $\phi \approx 44\%$ ）的机制，该机制已知会表现出 DST 和密度波动力学。
装置： 配备平行板几何结构（ $R=25$ mm，间隙 $h=1$ mm）的应力控制流变仪（Anton Paar MCR 301）。底板被替换为在其共振频率（ $f = 15.17$ kHz）下驱动的压电换能器。
方案：
- 实验在受控剪切速率（ $\dot{\gamma}$ ）而非应力下进行，以捕捉 DST 固有的间歇性应力波动和粘度分叉。
- 在建立基线流动曲线后，在 DST 机制内施加恒定的剪切速率（ $\dot{\gamma} = 90 \, \text{s}^{-1}$ ）。
- 施加不同振幅（ $a_{US}$ ）的超声波，范围从 0 到 $3.76 \, \mu\text{m}$ 。
- 以 20 Hz 记录剪切应力（ $\sigma$ ）和法向力（ $F_N$ ），以分析系统机械状态的概率分布。

3. 主要贡献

该论文在概念和实验方面做出了几项关键贡献：

机制阐明： 研究表明，超声波并非简单地通过直接破坏接触来降低粘度；相反，它将触发 DST 转变所需的临界剪切速率（ $\dot{\gamma}^*$ ）向更高值移动。
主曲线标度： 作者表明，当剪切速率按超声波依赖的临界剪切速率（ $\dot{\gamma}^*_{US}$ ）归一化时，应力概率分布会坍缩到主曲线上，揭示了向类流体状态的连续演变，而没有尖锐的阈值。
物理模型： 他们提出了一个基于时间尺度分离的模型，将阻塞悬浮液视为一个有效静止的多孔介质，高频孔隙流体流经其中。
失稳机制： 研究指出，超声波诱导的孔隙流在孔隙尺度上产生波动的流体动力拖曳力。这些波动破坏了脆弱的粘性力链，需要更高的外部应力来维持阻塞状态。

4. 关键结果

DST 转变的偏移：
- 在没有超声波的情况下，系统在 $\dot{\gamma} = 90 \, \text{s}^{-1}$ 时大部分时间处于高应力阻塞状态（ $P_+$ 最大）。
- 随着超声波振幅（ $a_{US}$ ）的增加，观察到低应力类流体状态（ $P_-$ ）的概率单调增加。
- 当剪切速率重新标度为 $(\dot{\gamma} - \dot{\gamma}^*_{US})/\dot{\gamma}^*_{US}$ 时，数据坍缩到单一主曲线上，其中 $\dot{\gamma}^*_{US}$ 随 $a_{US}$ 线性增加。这证实了超声波通过将转变推向更高的剪切速率，有效地使悬浮液“去增稠”。
时间尺度分离与多孔介质类比：
- 悬浮液的结构弛豫时间（ $\sim 1$ s）比超声周期（ $\sim 70 \, \mu\text{s}$ ）长几个数量级。
- 因此，在超声波的时间尺度上，粒子网络表现为静止不动。该系统表现为一个多孔介质，其中孔隙流体经历振荡挤压流。
失稳机制：
- 边界滑移： 挤压流在板附近产生强烈的速度梯度，促进边界滑移。
- 体失稳（主要机制）： 在体相中，孔隙流在较高振幅下进入福希海默（Forchheimer）机制（惯性效应占主导）。这导致孔隙内出现空间不均匀的流动和速度波动（ $\Delta v$ ）。
- 力不平衡： 这些速度波动在单个颗粒上产生拖曳力波动（ $\Delta F_{drag}$ ）。当 $\Delta F_{drag}$ 变得与稳定性的粘附和摩擦力（ $\sim 20$ nN）相当时，线性力链就会失稳。
- 声流： 作者计算得出，由于受限（孔隙尺寸 $\ll$ 粘性穿透深度），孔隙内的声流力可以忽略不计，从而排除了其作为主要驱动因素的可能性。

5. 意义

基础物理： 这项工作提供了“声学流体化”的一致物理图像，将其与简单的粘度降低区分开来。它确立了超声波作为孔隙尺度机械噪声源的作用，重新归一化了控制剪切增稠的力平衡。
工业应用： 这提供了一种非侵入性的原位策略，用于控制水泥浆料、涂料和食品等复杂材料中的流动不稳定性。通过调节超声波参数，操作人员可以在不改变悬浮液化学成分的情况下，防止管道和挤出机中的阻塞。
方法学进步： 受控剪切速率与高频声学激励的结合使用，为研究致密软物质中间歇转变的动力学提供了一个稳健的框架。

总之，作者证明超声波不仅仅是“熔化”阻塞状态，而是通过引入破坏承载力网络的波动流体动力，连续地移动剪切增稠转变的稳定性边界。