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北京林业大学彭锋教授团队《Angew Chem》:在非平衡态流体领域取得重要进展
2019-12-30  来源:高分子科技

  在时间的长河中,万物皆流。通常,满足牛顿流动定律的液体称为牛顿流体,如水、酒精等。但实际我们生活中随处可见的是非牛顿流体,例如剪切变稀流体(黏度随着剪切速率增加而随之降低),最常见的如树汁、纸浆、血液、油漆以及多糖溶液等。除此之外,另一类比较罕见的非牛顿流体则是剪切增稠液(黏度随着剪切速率增加而反常变大),这类流体通常以颗粒悬浮液为主,例如淀粉糊、纳米纤维素浓溶液以及聚氯乙烯塑料溶胶等。相对于剪切变稀流体,剪切增稠液能够在外力作用下发生液固转变而缓冲外部能量,故多被用于军工防弹衣、坦克铠甲、阻尼减速器以及运动缓冲材料等。广义而言,万物皆变;但在有限的时间尺度上,流体在外力场下的流变特性一直泾渭分明,很难相互转变。如何将这两种截然不同的非牛顿特性在有限且可观察到的尺度上随时间自发互变,一直是困扰科学家们的一个难题。

图1 非平衡态非牛顿流体机理示意图以及分子结构式

  北京林业大学彭锋教授团队多年来一直致力于木质纤维生物质组分分离及利用,在前期通过大量对淀粉糊、纸浆以及纳米纤维素浓溶液流变特性研究的基础上,他们近期与中国科学技术大学杨海洋课题组合作,开发出一类新型非平衡态非牛顿流体材料。虽然纳米生物基悬浮液常用于制备剪切增稠液,但是存在修饰难、透明度差以及易相分离等问题。为此,他们采用疏水缔合聚合物来代替纳米基悬浮液,并控制聚合物分子量以及疏水改性取代度,实现高剪切速率诱导下的疏水聚电解质分子间交联,达到剪切增稠的目的。同时,利用耗散热力学(dissipation-control)而非经典热力学原理(thermal equilibrium-control),通过尿素-脲酶反应控制体系pH变化,进一步诱导聚合物线团构象随时间变化,实现了非牛顿流体能够自发在剪切变稀与剪切增稠两种截然不同现象之间转换(图1)。

图2 非平衡态非牛顿流体震荡行为以及流变随时间特征

  由于采用耗散热力学机理,聚合物非牛顿流体内部组装结构及宏观性质随时间变化,而非表现为通常热力学平衡态刺激响应。具体来看,体系必须依托外界能量的持续输入才能表现出剪切增稠的性能,一旦失去能量供给或能量消耗,体系又立即表现出剪切变稀的行为。如图2所示,随着时间的推移,我们可以观察到震荡变稀以及震荡成胶两种截然不同的流体特征。如果进一步控制尿素缓冲液(化学能)的使用浓度,则可以有效控制剪切场(物理能量)下的非线性力学性能短暂存在的时间。

  本文以“Biocatalytic Feedback‐Controlled Non‐Newtonian Fluids“在线发表于国际化学领域最具影响力的综合性刊物之一,《Angewandte Chemie International Edition》(德国应用化学国际版,IF=12.257),本文第一作者为北京林业大学材料学院青年教师郝翔,第一通讯作者为其合作导师北京林业大学材料学院彭锋教授,北京林业大学材料学院林木生物质化学北京市重点实验室为第一单位。

  该工作得到北京林业大学中央高校基本科研业务费专项资金和国家自然科学基金面上项目资助。

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