蝸牛腳下的黏液層是軟材料的一個例子，它可在一定的壓力下流動。伊利諾伊大學香檳分校的研究人員在一項新研究中簡化了這種行為，使蝸牛在移動時不會笨拙地滑動，這與許多其他天然和合成材料的行為類似，如從泥漿到擠壓牙膏時流動的新增劑。圖片來源：Rodrigo Quarteu
多年來致力於從固體到液體材料統一定義的物理學研究者現在獲得了回報。一個新的理論模型可幫助開發新的合成材料，並提供和預測土木工程和環境挑戰，如泥石流、大壩潰壩和雪崩。
伊利諾伊大學香檳分校化學和生物分子工程教授Simon Rogers領導的團隊，揭示了一個統一的數學表示式，定義了“軟而硬”的材料在超過特定應力閾值時如何從固體過渡到液體流動。研究結果近日發表於《物理評論快報》。
“屈服應力流體的行為傳統上被定義為試圖結合兩種不同型別的材料：固體和液體的物理學。”該研究的主要作者、Rogers的研究生Krutarth Kamani說，“現在，我們已經證明，這些物理狀態（固體和液體）可以同時存在於同一種材料中，我們可以用一個數學表示式來解釋它。”
為了開發這個模型，該團隊進行了大量的研究，讓各種不同的軟材料承受應力，同時使用一種稱為流變儀的裝置測量單個固體和液體的應變響應。
“我們能夠觀察材料的行為，看到固體和液體狀態之間的連續過渡。”同時為美國理工大學貝克曼高階科學技術研究所研究員的Rogers說，“傳統模型都描述了從固體到液體的突然變化，但我們能夠解決兩種截然不同的行為，它們反映了透過固體和流體機制的能量耗散。”
該研究報告稱，這一進展為研究人員提供了一個簡單的模型，使其更容易進行大規模計算，如模擬和預測泥石流和雪崩等災難性事件所需的計算。
“現有的模型在計算上很昂貴，研究人員需要與數字作鬥爭，使計算儘可能準確。”Rogers說，“我們的模型簡單，且更準確，我們已經透過許多概念驗證實驗證明了這一點。”
研究人員表示，流體的複雜屈服應力研究是研究地球物理流動、廢物修復和新材料開發、3D列印和廢物運輸成本最小化等工業過程的熱門話題。“我們的模型定義了固體-液體行為的一個基本例子，它將作為一個起點，讓研究人員在定義更復雜的屈服應力流體現象方面取得重大進展。”Rogers說。(晉楠)
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https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.218002
