The Role of Hydrogen Bridging Bonds in the Shear-Thickening and Jamming of Dense Suspensions
本研究证明，通过调节溶剂分子结构以调控氢键桥接作用，可系统控制浓玉米淀粉悬浮液的剪切增稠与阻塞行为，揭示了从水与乙二醇中的强剪切增稠到长链二醇中的剪切变稀的急剧转变。
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想象你有一桶湿沙子。如果你缓慢搅拌，它会像液体一样流动。但如果你用力猛击或剧烈搅拌，它会突然变成一块你无法移动的固体块。这种奇怪的行为被称为剪切增稠，它发生在像玉米淀粉与水混合（常被称为“欧布里克”）这样的浓悬浮液中。
本文研究了为什么会发生这种情况，更重要的是，我们如何通过改变与玉米淀粉混合的液体来控制它。研究人员发现，液体分子与玉米淀粉颗粒之间微小的化学“握手”是其中的关键秘诀。
以下是他们发现的故事，分解为简单的概念：
1. 液体的两面性
研究人员使用玉米淀粉颗粒作为“固体”部分。对于“液体”部分，他们不仅仅使用了水。他们使用了一类称为二醇（两端带有羟基的醇）的液体。把这些分子想象成两端带有粘性“手”（羟基）的微型哑铃。
他们测试了四种液体：
- 水：最短的分子。
- 乙二醇：稍长的分子（2 个碳原子）。
- 丙二醇：中等长度的分子（3 个碳原子）。
- 丁二醇：该组中最长的分子（4 个碳原子）。
2. “魔术贴”效应
核心概念在于氢键。想象玉米淀粉颗粒上覆盖着魔术贴的钩子，而液体分子则是毛圈。
- 静止时（低应力）：液体分子像保护毯一样包裹着玉米淀粉。这将颗粒彼此隔开，防止它们粘在一起。这就像一个力场，防止沙粒结块。
- 受力时（高应力）：当你用力搅拌或拉扯混合物时，你会将颗粒挤压得如此紧密，以至于液体分子被挤到一边。突然，一个颗粒上的“钩子”可以抓住邻居上的“毛圈”。这就形成了一个分子桥。
这些桥就像分子魔术贴。当它们形成时，颗粒会锁在一起，产生摩擦。正是这种摩擦将液体变成了固体（阻塞）。
3. 转折：长度很重要
研究人员原本以为，既然所有这些液体两端都有“粘性手”，它们的行为都会相似。但他们错了。分子的长度改变了一切。
短分子（水与乙二醇）：这些分子短而僵硬。它们非常擅长在静止时形成那些保护毯。但当被挤压时，它们会迅速到位形成坚固的桥。
- 结果：当你搅拌时，混合物会迅速变得非常粘稠和坚硬。它的行为就像经典的“欧布里克”。
长分子（丙二醇与丁二醇）：这里是惊喜。这些较长的分子非常灵活，以至于它们更喜欢彼此牵手，而不是伸向玉米淀粉。
- 类比：想象一群人在聚会上。矮个子（水）正忙着与主人（玉米淀粉）握手。而高个子（长链二醇）则忙着在角落里互相拥抱（形成“二聚体”或环），从而忽略了主人。
- 结果：因为它们忙着互相拥抱，所以无法在玉米淀粉周围形成良好的保护毯。颗粒甚至在开始搅拌之前就已经结块了。当你确实搅拌时，形成的那些桥又长、又软、又弱。混合物不会变成坚硬的固体，而是像一种粘稠的糊状物一样流动，并且随着搅拌变得越来越稀（剪切变稀）。
4. “拉力测试”（撕裂固体）
为了看看这种“固体”状态到底有多强，研究人员不仅仅是搅拌混合物；他们试图将其拉开。他们将一根棒子浸入混合物中，然后快速向上猛拉。
- 使用水/短液体：混合物变成了坚硬、易碎的固体。当他们拉扯时，它像干粘土一样断裂。它断裂得很干净。
- 使用长液体：混合物没有断裂。相反，它像太妃糖或口香糖一样被拉伸出来。在最终断裂之前，它形成了一个长长的、细的颈部。它要柔软得多，也更有弹性。
大局观
该论文得出结论，这些悬浮液的行为不仅仅关乎固体颗粒；它关乎颗粒与液体之间的共舞。
- 如果液体分子短且渴望与颗粒结合，当你施加应力时，你会得到一种坚硬、易碎的固体（剪切增稠）。
- 如果液体分子长且更喜欢与彼此结合，你会得到一种柔软、有弹性、粘稠的混合物（剪切变稀）。
通过仅仅改变溶剂中碳链的长度（仅增加一两个原子），研究人员就能将材料的特性从“硬岩石”切换到“软太妃糖”。这证明了液体的微观形状和结合习惯与固体颗粒本身一样重要，它们共同决定了混合物的流动方式。
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