拉伸和流动研究揭示了已知材料的非凡特性

牙膏、面霜、发胶、蛋黄酱和番茄酱是大多数人都不会在意思考的家居用品，但就其流动特性而言，它们具有非凡的特性。它们都是弹性粘塑性（EVP）材料，在静止状态下的行为类似于固体，但是在足够的压力下会像液体一样流动。

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扩展流在出站通道中生成。信用：OIST
冲绳科技大学研究生院（OIST）的微生物/生物/纳米流体学部门以及帕特雷大学的流体力学和流变学实验室的科学家通过将实验与模拟相结合，揭示了对这些材料的见解。他们在PNAS上发表的研究表明，材料在其固态状态下的弹性是关键特性，应在以后的模型中包括在内。
【拉伸和流动研究揭示了已知材料的非凡特性】帕特雷大学的John Tsamopoulos教授说：“在过去的十年中，微流体实验的进展揭示了EVP材料流动中的许多意外现象。包括凝胶中气泡的尖峰形状和流动中的对称性损失。这些观察结果和其他观察结果暗示，现有理论缺乏某些东西。”
OIST部门的负责人沉爱美教授说：“即使搁置了基本的家用物品，对EVP物料的流动方式有基本的了解也是非常有用的，尤其是在生物医学和地球物理学领域。”
她解释说，例如血液是一种EVP物质-它的行为就像静止时的固体，但在动脉中却像液体一样流动。此外，一些3D打印的组织和脚手架可以具有EVP特性，并且在地球物理学方面，火山熔岩的行为类似于EVP材料，尽管规模更大。

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西蒙·哈沃德（Simon Haward）博士举起了用于测量EVP材料拉伸流动的设备。信用：OIST
以前对EVP材料的实验研究已经测量了它们在剪切流下的行为，这种剪切流是在流体层相互滑过时获得的。但是，当涉及到这些材料的工业加工和使用时，例如纤维纺丝和电路板印刷，通常更重要的是拉伸流动（当流体被拉伸时）。
对纯拉伸流的研究在实验流体动力学中是一个巨大的挑战，并且EVP材料的拉伸流以前从未在实验中成功地进行过测量。为了实现这一目标，微生物/生物/纳米流体学小组的负责人西蒙·哈沃德博士使用了一种新型的微流体装置，称为交叉槽几何学。该设备包括四个彼此成直角的通道。
Haward博士说：“在十字槽的几何形状内，我们使用了一种著名的EVP材料Pluronic解决方案。当我们在彼此相对的两个入流通道上施加压力时，溶液被推向中心点，并从其他两个通道中流出。所产生的流动在速度的中心处有一个点到零。在两个出站通道中，我们在流体被拉伸的地方产生了延伸流。”
同时，帕特雷大学的Yannis Dimakopoulos教授和研究人员创建了一个理论模型，并模拟了两种EVP材料（Pluronic解决方案和另一种称为Carbopol的材料）的流动。他们表明，在流中出现了复杂的图案，其中包括被液态包围的凝固区域。他们的发现与OIST进行的实验相符。

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模拟结果与实验结果相符。图片来源：帕特雷大学
Stelios Varchanis表示：“此模型可以描述剪切，拉伸和混合流动中的简单EVP材料。尽管我们只关注两种材料，但它可以用于具有不同水平的弹性，可塑性，粘度和其他特性的多种材料。”博士帕特雷大学的候选人，该论文的第一作者。“这使得该模型适合在各种工业过程的设计和优化过程中模拟流程。”
这项研究表明，需要对现有理论进行全面改革，以包括材料的弹性。Stelios说：“取决于EVP材料在屈服之前可以承受的变形量，其作用方式要么接近现有理论所预测的方式，要么表现得更像是流动的弹性固体。”
OIST Micro / Bio / Nanofluidics部门的Cameron Hopkins博士说：“ OIST的实验补充了仿真结果。尽管我们研究的Pluronic解决方案仅表现出较弱的弹性效应，但在流动中观察到少量的不对称性，表明与纯流体行为的偏差，因此弹性不可忽略。我们的实验为所提出的建议提供了有力的支持。”
文章来源：phys.org