你可能在高中有做过一个实验：当你将玉米淀粉与水混合——这种混合物俗称“欧布拉克”——并搅拌它，它就像液体一样。但如果快速刮擦它或用力击打它，它就会变硬成固体。如果你掌握好节奏，甚至可以在一池子这种物质上跑过去。这种现象被称为剪切增稠，科学家们数十年来一直在试图理解它是如何发生的。
观看纯水和掺入玉米淀粉的混合物在稠度上的区别
致谢：科恩实验室
目前有两种主要的理论，弄清楚哪种是正确的可能会影响我们制造水泥、防弹衣、预防脑震荡的头盔，甚至宇航服的方式。
普遍的理论是，这完全取决于液体及其溶液中颗粒的流体动力学（流体运动的性质）。当颗粒被推得越来越近时，就越难将它们之间的液体挤出。最终，变得太难挤出更多的流体，颗粒就会锁定成流体动力学团簇，仍然被一层薄薄的流体隔开。然后它们一起移动，使混合物变稠并形成固体。
另一种想法是，接触力（如摩擦力）使颗粒保持锁定在一起。根据这个理论，当施加力时，颗粒实际上会相互接触。剪切力和摩擦力使它们压在一起，这使得溶液更加固体化。
“这场争论一直在持续，我们绞尽脑汁想出一个方法来决定性地解决其中一个方向，”康奈尔大学的物理学家 Itai Cohen 说。他和他的 团队 最近进行了一项新实验，该实验似乎表明摩擦力是剪切增稠的驱动原因。
他们决定进行一次所谓的“流动反转”实验。他们将一个圆锥体放入一盘满是这种流体的容器中，并测量了旋转圆锥体所需的扭矩。当剪切增稠开始时，旋转圆锥体变得更加困难。然后他们突然反转旋转方向。如果接触力是剪切增稠的原因，那么在旋转反转的那一刻，颗粒就会从彼此分离，扭矩的幅度会立即下降。如果流体动力学团簇是剪切增稠的主要原因，扭矩则不会下降。
问题在于，力必须立即测量，而当时没有足够快的机器来做出这种测量以观察这种效应。因此，科恩团队与麻省理工学院的 Gareth McKinley 合作，他改装了机器以更快地获取数据。当他们测试自己制作的简单溶液时，他们看到了在反转流动后力出现的那种特征性下降。进一步的建模表明，摩擦力可能是起作用的接触力。
“我们兴奋得发狂，”科恩说。他的研究结果已于今日在《物理评论快报》期刊上发表。
“这是一项杰出的工作，”研究流体动力学的纽约城市大学化学工程师 Jeffrey Morris 说。但他指出，科恩的研究结果可能无法推广到所有剪切增稠流体。“我认为他们已经证明了摩擦力是他们系统正确解释，但其他系统可能需要逐案测试，”他说。
特拉华大学化学工程师 Norman Wagner 表示，对这类摩擦相互作用的研究很重要，但他指出他并不完全信服，因为科恩的团队没有直接测量摩擦力（他们通过建模推断是摩擦力，但没有找到颗粒之间摩擦力的精确测量值）。他还说，该领域已经有很多数据强烈表明流体动力学团簇是剪切增稠的原因。
然而，所有研究人员都同意，一旦确定了剪切增稠的确切原因，随之而来的应用将是巨大的。“一旦你知道导致这种现象的机制，你就可以定制颗粒特性来改变它，”莫里斯说。他说，人们可以设计出可根据需要变硬或保持流动的混合物。
例如，你希望能够轻松地将油漆喷涂或滚涂在墙上而不会结块。研究人员必须设计油漆，使其不会发生剪切增稠。水泥也是如此，它需要在高速下倾倒而不会凝固。另一方面，Wagner说，剪切增稠流体可以制造出在撞击时会变硬的防弹衣，将力分散到身体更大的区域。这可以保护士兵、警察和急救人员免受枪伤或爆炸中飞溅的碎片的伤害。
观看这种玉米淀粉和水的混合物在锤击下变硬，然后恢复成流体
致谢：科恩实验室
“如果我们能保护士兵，”他说，“为什么不能保护宇航员呢？” Wagner 和他的 团队 正在进行一项 NASA 资助的项目，旨在改进宇航服，使其能够抵御微陨石或其他碎片穿透。他们还运用这项技术制造用于头盔和护胫的衬垫，以更好地保护运动员免受有害撞击。他们甚至还在制造防穿刺手套，使医护人员在拥有与现有手套相同灵活度的同时，又能额外防护意外的针刺。
“这是一个非常令人兴奋的领域，”Wagner 说。他对设计能够自动保护人体的材料非常感兴趣，无需机器人或动力。他说，这仅仅是材料固有的物理学。“我们可以利用自然的力量为我们所用，使其以一种保护我们的方式做出响应。”
