幾十年來(lái)，軟材料結(jié)構(gòu)崩潰背后的機(jī)制一直困擾著研究人員。在一項(xiàng)新的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)指標(biāo)，最終將微觀水平的過(guò)程與宏觀層面的所見(jiàn)所聞聯(lián)系起來(lái)。

研究人員表示，新指標(biāo)有望幫助推進(jìn)各種材料工程挑戰(zhàn) - 從更好的3D打印墨水的配方，可穿戴柔性電子產(chǎn)品和傳感器的構(gòu)建，生物醫(yī)學(xué)植入物的精確打印，到幫助控制山體滑坡和雪崩，甚至改善加工食品和個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品的質(zhì)地。

來(lái)自諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的化學(xué)工程師團(tuán)隊(duì)在理解軟材料如何失效或屈服于力方面取得了許多進(jìn)展。然而，將團(tuán)隊(duì)的大規(guī)模觀察與微觀層面發(fā)生的事情聯(lián)系起來(lái)仍然難以捉摸。

在這項(xiàng)研究中，U. of I.的研究人員與阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，約翰霍普金斯大學(xué)和渥太華大學(xué)的團(tuán)隊(duì)合作，用他們稱之為“相關(guān)比率”的新指標(biāo)解釋了這種關(guān)系。

研究結(jié)果發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上。

該團(tuán)隊(duì)使用一種稱為流變X射線光子相關(guān)光譜的高功率顯微鏡技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)研究流動(dòng)依賴性結(jié)構(gòu) - 性質(zhì)關(guān)系和軟材料。

研究人員說(shuō)，Rheo-XPCS是為數(shù)不多的技術(shù)之一，允許研究人員在材料變形時(shí)對(duì)材料進(jìn)行X射線分析，同時(shí)使用流變儀(測(cè)量應(yīng)力和應(yīng)變的設(shè)備)直接與X射線束對(duì)齊進(jìn)行測(cè)量。

“從材料科學(xué)的角度來(lái)看，我們無(wú)法區(qū)分材料何時(shí)在微觀結(jié)構(gòu)尺度上從固體變?yōu)橐后w，”領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目的諾伊州化學(xué)和生物分子工程教授Simon Rogers說(shuō)。“阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Rheo-XPCS讓我們前所未有地看到了軟材料屈服于應(yīng)力的微觀行為。

在實(shí)驗(yàn)室中，該團(tuán)隊(duì)使用了一種稱為軟膠體玻璃的材料，這是一種由二氧化硅制成的無(wú)序納米顆粒系統(tǒng)。

“我們稱它為軟材料，因?yàn)榱Ｗ娱g的相互作用導(dǎo)致它有點(diǎn)柔軟 - 就像將一堆水氣球推在一起形成材料一樣，”該研究的第一作者，前諾伊州研究生Gavin Donley說(shuō)。“我們使用這種特殊的材料，因?yàn)樗峁┝藦?qiáng)大的X射線信號(hào)，我們可以在同時(shí)進(jìn)行宏觀測(cè)量時(shí)記錄該信號(hào)。

這項(xiàng)技術(shù)使研究人員最終見(jiàn)證了微觀位移和宏觀行為之間的直接聯(lián)系，使他們能夠使用數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)定義行為。

“深入了解這個(gè)問(wèn)題的具體細(xì)節(jié)是向前邁出的一步，因此想要設(shè)計(jì)新軟材料的未來(lái)研究人員可以通過(guò)調(diào)整各種微觀參數(shù)來(lái)獲得所需的宏觀特性，”Donely說(shuō)。“我們還沒(méi)有完全做到這一點(diǎn)，但我們已經(jīng)展示了微觀和宏觀尺度之間明確定義的數(shù)學(xué)相關(guān)性。