《Nature》子刊：粗糙度、摩擦和黏附在非连续剪切增稠的作用

致密的胶体或颗粒悬浮体，可以表现出明显的非牛顿特性，如不连续的剪切增稠和剪切干扰。颗粒表面粗糙度和粘附力的基本贡献，证实了应力激活摩擦接触，在这些现象中发挥了关键作用。

近日，来自瑞士苏黎世联邦理工学院的Lucio Isa等研究者，通过使用一个由响应性聚合物包裹的微粒体系，报道了摩擦、附着力和表面粗糙度的相对贡献实验证据，可以在原位作为温度的函数进行调节。相关论文以题为“Exploring the roles of roughness, friction and adhesion in discontinuous shear thickening by means of thermo-responsive particles”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21580-y

剪切增稠(ST)是一种常见的现象，当剪切应力σ比γ的剪切速率线性增加得更快时，η≡σ/γ的粘度，会随着剪切速率的增加而有效增加。在很多物质中都可以观察到这种现象，但在固体颗粒的密集悬浮物中，这种现象最为明显。这种现象可能表现为，严重的不连续剪切增稠(DST)，即悬浮体的粘度在临界剪切速率下增加数量级，或者在最极端的情况下，悬浮体甚至可能在剪切作用下凝固，出现剪切干扰(SJ)。这两种情况都可能导致高剪切过程中的失效，但也可以用于造粒或冲击吸收。最近的研究表明，颗粒间接触在DST中起着至关重要的作用，这是由在高剪切条件下，颗粒表面之间的相互作用，由流体动力润滑向边界润滑转变而触发。

流体膜允许悬浮颗粒在低剪切下，很容易地相互滑动，当超过临界剪切应力时，颗粒之间的流体动力润滑膜就会破裂。这种情况导致颗粒有效地在粗糙-粗糙接触，从而可以参与摩擦相互作用通过边界润滑。这表明颗粒的表面形貌和表面化学，对宏观流动行为有显著的影响。基于这一知识，可以利用工程摩擦学的方法来设计悬架加厚。这种方法为制造吸能材料、医疗设备和柔性防弹衣提供了策略。预测和确定ST的发生及其严重程度的能力，对于含有高固体载荷的复合油墨的三维打印也是至关重要的，例如在陶瓷或导电油墨携带金属微粒的情况下，例如在微电子工业的焊料球的喷墨打印中。

从实验的角度来看，颗粒间摩擦系数，可以通过工程表面化学或修改表面粗糙度来有效地控制。此外，短距离粘附力，例如实验中引入的氢键，也可以用来修改粒子间接触的性质，并强烈地影响流变性。然而，在悬浮液被剪切时调节颗粒间摩擦学，作为一种提供外部控制流动特性的手段，还没有得到解决。剪切增厚响应的外部控制已经实现，例如通过机械触发，即振动，但通过易于调节的变量，如打印机喷嘴的温度控制，来适应粒子间的相互作用，具有实际的优势。最后，探索接触摩擦学与悬架流变学之间的不同联系，仍然是一项难以捉摸的任务，对材料设计和基本理解同样具有重要影响。

在此，研究者分析了涂有聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)热响应聚合物，且不同表面粗糙度的二氧化硅胶体。通过比较这些模型胶体的纳米摩擦学和流变学，研究者测试了摩擦、附着力和表面粗糙度的相对贡献，并在剪切过程中调整它们。因此，在剪切过程中修改温度可以调节接触条件，并根据需要打开和关闭不连续剪切增稠。宏观流变响应，遵循由胶体探针原子力显微镜，获得的独立的单颗粒表征粘合剂和摩擦学性能的指示。

研究者使用刺激响应的聚合物刷，通过控制自由基聚合合成到一个精确的长度，用于现场调节颗粒间摩擦和粘附，并调制表面粗糙度。结果表明，在没有粘附的情况下，表面粗糙点的联锁，促进了更广泛剪切速率范围内的膨胀性DST，对于更低的ϕ值，增加了(粗糙调解的)有效摩擦。这些实验还表明，引入弱粘附力也能增强ST，并使其在光滑接触时转向较低的剪切速率。这两种效果的结合，加剧了粗糙粘附颗粒的DST。

除了抵抗摩擦和地形导致的剪切诱导接触区域内的滑动外，粘附还进一步限制了粒子之间的滚动，这有效地降低了高SJ体积分数，从而促进了给定ϕ上的ST。

图1 PNIPAM接枝光滑粗糙的二氧化硅颗粒。

图2 PNIPAM接枝光滑颗粒的纳米摩擦学实验。

图3 PNIPAM接枝光滑颗粒的流变学实验。

图4 PNIPAM接枝粗糙颗粒的纳米摩擦学实验。

图5 PNIPAM接枝粗糙颗粒的流变学实验。

图6 热-可切换的剪切增稠体系。

综上，研究者的结果清楚地证实了，颗粒间接触的微观摩擦学与DST悬浮液的宏观流变学密切相关。因此，通过调整颗粒表面化学成分和形貌，设计剪切增厚材料的额外途径打开了大门，特别是开发响应系统，其中的摩擦、粘附和表面粗糙度可以根据需要进行设计。（文：水生）