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有這樣一種材料，捏起來軟軟的像是橡皮泥，除了顏值高點(diǎn)，似乎也沒什么特別。

但是！軟材料卻能展現(xiàn)出極其“硬氣”的一面，用它包覆雞蛋，雞蛋用錘子都砸不壞。

實(shí)際上，這是一種名為D3O的新型材料，這幾年在美國市場大放異彩。目前已經(jīng)有上百種產(chǎn)品用到了D3O，從手機(jī)殼到護(hù)膝再到芭蕾舞鞋。雖然名字聽起來像《星球大戰(zhàn)》中才能用得到的家伙，但是它的功能還是非常接地氣的：防撞擊。

與鋼鐵等高強(qiáng)度材料不同，D3O在常規(guī)狀態(tài)下是柔軟的，卻能防住突然的受力撞擊。

英國工程師Richard Palmer于1999年發(fā)明D3O，作為一位滑雪愛好者，他當(dāng)時(shí)非常希望能找到一種材料能使他免受滑雪板帶來的磕碰之苦（據(jù)說是在一次滑雪事故中受了傷）。最終他找到了這種材料，并以發(fā)明它的實(shí)驗(yàn)室命名——D3O。該材料自問世以來就只有亮橙色這一種顏色。

原始狀態(tài)的D3O非常容易產(chǎn)生形變，但如果迅速對(duì)它施加外力，它會(huì)突然變硬，并立即吸收外界能量。 圖片來源：www.thefitrv.com

它為什么“吃軟不吃硬”？

D3O材料上述的這種特點(diǎn)，像極了我們中國人常說的“吃軟不吃硬”，那么，它為什么會(huì)有這樣的性質(zhì)呢？原因總結(jié)起來就一句話：D3O材料是一種特殊的流體——非牛頓流體。

牛頓流體與非牛頓流體

在介紹非牛頓流體前，我們先好好了解下牛頓流體。牛頓除了發(fā)現(xiàn)偉大的力學(xué)三大定律外，還發(fā)現(xiàn)：多數(shù)流體的粘度僅受溫度的影響。什么是粘度？粘度是描述流體流動(dòng)阻力的量，粘度高的物質(zhì)不容易發(fā)生移動(dòng)，粘度低的物質(zhì)則容易移動(dòng)，舉個(gè)栗子：水（粘度低）比蜂蜜（粘度高）更容易移動(dòng)，耗時(shí)也更短。好了，接著說粘度和溫度的關(guān)系，牛頓發(fā)現(xiàn)有些物質(zhì)加熱后，就變得沒那么粘了，而一旦溫度降低它可能就會(huì)變得非常粘稠。再舉個(gè)栗子：冬天早上發(fā)動(dòng)汽車的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)上的油又厚又粘，所以很難打著火，但是一旦發(fā)動(dòng)機(jī)變熱了，上面的油就沒那么粘了。常見的流體比如水和油，不管它們流過的管道速度有多快，粘度一直保持恒定，溫度是影響它們粘度的唯一因素，這種流體稱為牛頓流體。但是有些流體的粘度除溫度外還受到其他因素的影響，這些流體稱為非牛頓流體。非牛頓流體的粘度會(huì)隨著攪拌或者壓力（剪切應(yīng)力）的改變而改變。而牛頓流體的粘度則不受剪切應(yīng)力的影響。

很多聚合物的溶液或者熔體都是非牛頓流體。聚合物是由一種或幾種結(jié)構(gòu)單元重復(fù)并最終串聯(lián)起來的分子量很高的化合物。常見的人工合成聚合物有塑料、橡膠、人造纖維等，天然聚合物包括DNA、蛋白質(zhì)、淀粉等。

粘有D3O材料的雞蛋依舊完整，粘有普通橡皮泥材料的雞蛋則破碎

剪切稀化流體

仔細(xì)想想你倒番茄醬的場景，是不是每次都搖晃瓶子或者敲下瓶子底，讓它流出來。這個(gè)動(dòng)作就是在對(duì)番茄醬施加剪切應(yīng)力，讓它變得不那么粘。所以當(dāng)晃動(dòng)或攪拌后粘性變小的流體，就稱為剪切稀化流體。同樣屬于剪切稀化流體的還有剃須膏，油漆等等。如果你在兩手之間揉搓剃須膏的話，它會(huì)變薄并且容易流動(dòng)，因粘度降低了。

我們常在電影中看到流沙也屬于剪切稀化流體。如果被困在流沙中，你越掙扎，沉沒的速度就越快。你用的所有力都會(huì)降低流沙的粘度，從而加速流沙的移動(dòng)。難道就沒有什么自救的方法了么？不用擔(dān)心，流沙很少能沒到人頭部，因?yàn)樗拿芏仁侨梭w密度的兩倍，只要放輕松，就會(huì)自動(dòng)浮上來。

圖片來源：網(wǎng)劇《鬼吹燈之精絕古城》

剪切稠化流體

另一種流體對(duì)剪切力的響應(yīng)結(jié)果則是反的。如施加剪切力，那么該流體會(huì)變得更粘稠，這種流體稱為剪切稠化流體。玉米淀粉和水的混合物就屬于這一范疇，當(dāng)你用力迅速擠壓它的時(shí)候，它會(huì)變得異常堅(jiān)硬，成凝固狀態(tài)。如果你有一泳池的玉米淀粉和水的混合物，你甚至可以在上面奔跑。

（央視一個(gè)科普節(jié)目中曾經(jīng)介紹到這種剪切稠化流體，人可以在上面奔跑通過）

之前講到的D3O材料，就是一種剪切稠化流體，它是由油性液體潤滑劑和懸浮在其中的聚合物混合而成。當(dāng)作用力緩慢施加到剪切增稠流體時(shí)，聚合物鏈有時(shí)間移動(dòng)并重新排列，因此粘度不受影響。但如果快速施加作用力時(shí)，聚合物鏈沒有時(shí)間重排，同時(shí)會(huì)糾纏在一起，粘度大大增加。這就好比一個(gè)春運(yùn)時(shí)的火車站，如果每個(gè)人都往檢票口擠，就會(huì)發(fā)生擁堵，但如果用長圍欄隔開，每個(gè)人都有秩序的排隊(duì)往前走，那么大家最終都能有序離開。

剪切稀化流體和剪切稠化流體在受力后除了粘性變化相反外，還有一點(diǎn)就是剪切稀化流體需要長時(shí)間的作用力才能降低粘性，而剪切稠化流體則是突然應(yīng)力，使其變硬。

剪切稀化流體（左）：施加的剪切力破壞了聚合物間的氫鍵（或其它二級(jí)結(jié)構(gòu)），聚合物更容易流過。 去除應(yīng)力時(shí)，聚合物鏈之間的氫鍵再次形成。剪切稠化流體（右）：施加剪切力可導(dǎo)致聚合物的無規(guī)卷曲解開并且彼此纏結(jié)，提高粘度。 去除應(yīng)力時(shí)，聚合物恢復(fù)到無規(guī)線團(tuán)狀態(tài)。圖片來源：RS GRAPHX, INC.

大顯身手的D3O

作為運(yùn)動(dòng)保護(hù)材料：

由于D3O作為一種剪切稠化流體，能在受到?jīng)_擊時(shí)提供保護(hù)，比如可以作為護(hù)膝和護(hù)肘。在正常狀態(tài)下，D3O呈現(xiàn)流體性質(zhì)，容易流動(dòng)，因此佩戴簡單，佩戴者的活動(dòng)也不會(huì)受到影響。但一旦摔倒，滑板、膝蓋撞到地面，D3O會(huì)立即“變硬”，比傳統(tǒng)護(hù)膝提供了更大程度的保護(hù)。

含有D3O材料的護(hù)膝 圖片來源：D3O Technology

D3O還用于各種運(yùn)動(dòng)中的特制頭盔，從足球、曲棍球到壘球。美國兒科學(xué)會(huì)報(bào)告說，在過去十年中，青少年腦震蕩的數(shù)量翻了一番，達(dá)到四百萬到五百萬次。希望這種材料可以降低腦震蕩率。目前市面上頭盔主要是在撞擊時(shí)保護(hù)頭部，但卻不能阻止顱骨內(nèi)大腦本身的運(yùn)動(dòng)，而這才是腦震蕩的原因。設(shè)計(jì)這種降低大腦運(yùn)動(dòng)的頭盔是一個(gè)非常有意義的事情，還涉及到生物工程，運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)等學(xué)科。

使用D3O內(nèi)襯的曲棍球頭盔 圖片來源：D3O Technology

作為軍事防護(hù)材料：

D3O最重要的作用恐怕就是保護(hù)警察和軍人的生命了。傳統(tǒng)的防彈背心和其他類型的防彈衣由于太大，行動(dòng)不便，甚至影響執(zhí)行任務(wù)，所以并不那么受歡迎。

新型防護(hù)設(shè)備選用D3O（黃色）做內(nèi)膽，外面覆蓋一層聚氨酯（TPU，灰色）。在受到外界沖擊力后，TPU能將這種應(yīng)力分散至整個(gè)材料，隨后D3O變硬，吸收應(yīng)力，從而起到保護(hù)作用。圖片來源：D3O Technology

現(xiàn)在D3O已經(jīng)應(yīng)用在了防彈背心和頭盔中。當(dāng)它和其它材料一起制備成復(fù)合材料時(shí)，作用更加明顯，比如擋子彈和彈片。這種防彈衣在受到?jīng)_擊時(shí)會(huì)立即變硬，保護(hù)穿戴人。

作為手機(jī)保護(hù)殼：

手機(jī)如果一不小心掉在地上，不論是屏碎還是劃痕，都?jí)蜃屓诵乃榱?。不過將D3O運(yùn)用到手機(jī)殼中，就完全不用擔(dān)心這個(gè)問題，它能為你的手機(jī)提供完美保護(hù)。如果手機(jī)經(jīng)常掉在地上，那你可以考慮入手一個(gè)帶D3O材料的手機(jī)殼，官網(wǎng)售價(jià)29.99刀。

D3O和其他類似的非牛頓產(chǎn)品的使用方法似乎無窮無盡。比如是否可以應(yīng)用在車身，減少撞車發(fā)生的悲劇。也許很快有一天D3O這種可硬可軟的材料就會(huì)滲入我們生活的方方面面。 

參考資料：

https://www.acs.org/content/acs/en/education/resources/highschool/chemmatters/past-issues/2016-2017/february-2017/no-hit-wonder-d3o.html