教教你，高分子和活性高分子溶液是如何流動的？

材料牛注：我們在化妝品、食物、墨水、顏料等領域常常能看到高分子的身影，掌握它們的流動機制將會大大推動工業生產的效率和產品品質。有這樣一群科學家正致力于研究高分子和活性高分子溶液的流動，讓我們一起了解一下他們的科研成果。

圖1:由左至右為流速依次增加時雙折射（上）和流型（下）。流體從十字關節的上下流入，左右流出。左圖流速較低，圖像表現出穩定和對稱的特點，當流速上升時，雙折射圖反映出聚合物的伸長，流型明顯變得扭曲。 ??????來源：沖繩科學技術大學院大學（OIST）

流體，比如說水，它們的粘性行為用牛頓力學非常容易理解。但是，還有許多常見流體是粘彈性的。這些流體常見于化妝品、皂類產品和顏料中，同時具有粘性、彈性、液體和固體的特性。我們對其流動的原理知之甚少。

盡管不清楚它們的流動特性，制造商仍將這些流體添加到了各種各樣日用品中。如果沒有粘彈性的流體，生活將會發生翻天覆地的變化。如果我們可能會失去香波濃密的泡沫、失去富有嚼勁的口香糖、失去摯愛的彈力運動鞋。

為了更了解這些流體，來自OIST Micro/Bio/Nanofluidics Unit的研究者們對不同粘彈性流體的流動特性和行為進行了深入研究。研究中心的Amy Shen教授和Simon Haward博士正對制造產品中常用的兩種液體——高分子溶液和活性高分子溶液進行研究。

高分子是由重復的原子團組合成的大分子。高分子溶液具有廣泛的應用范圍，尤其在食物、墨水、顏料和滴眼液、人工唾液等修復液領域。流動時，這些聚合物高分子可以像橡皮筋一樣拉長，從而使流體具有彈性。

圖2：一個具有粘彈性的蠕蟲狀膠束溶液在一個直的微通道流動時，流經柱狀物附近由流體彈性產生的現象。 ?比例尺：200μm : 0.2mm ???來源：沖繩科學技術大學院大學（OIST）

在與麻省理工的研究者Gareth McKinley教授的合作研究中，Shen和Haward觀察到一系列粘彈性高分子溶液的流動模式，如圖1所示。他們利用流動雙折射發現，當經過十字交叉口時流速上升，聚合物分子在通過交叉口中心的時候被大幅拉伸成狹窄的繩狀。流動雙折射現象是由光射入液體使其流動，并發生自身的折射時帶來的微小變化引起的。這些光折射的變化與流體流動過程中的彈性應力有關。研究者發現雙折射光束中的彈性是導致觀察到的流動模型扭曲的原因。繼續增加流速會進一步導致流動模型產生更大的波動和不穩定。

經過這些試驗發現，在拉伸流動過程中不穩定性發生的機制與粘彈性不穩定性在其他更簡單的流動模型中的機制是一致的。因此，在一個彎曲的管道里，根據精確的幾何條件和流體性質可以非常好地預測不穩定性的發生。但是，到目前為止針對拉伸流動尚未有類似的預測。

許多工業生產過程涉及到粘彈性流體的拉伸流動，如擠出加工、纖維紡絲和噴墨印刷等。流動的不穩定性會對產品的質量產生致命的影響，因此穩定性限制了產品的生產速度。對不穩定性發生的預測將有助于在范圍內提高生產速度并獲得質量良好的產品。研究的結果在Scientific Reports上發表。

Micro/Bio/Nanofluidics Unit同樣也研究了活性高分子的流動。和其他高分子一樣的是，這些材料是由多種重復的單元組成的長鏈分子，但有別于其他高分子的是，這些單元并不是由化學鍵鍵合在一起的，而是依靠其他力量凝聚在一起。蠕蟲狀膠束(Wormlike micelles，WLM)，一種活性聚合物，在溶液中聚合為長棒狀的懸浮物。這些材料在工業上有大量應用，包括洗發水和化妝品的添加劑，強化采油(EOR)的材料。

確定這些材料的流動對于如何優化他們的應用至關重要。這些材料廣泛存在于各類產品中，并運用在許多工業生產中，使他們的優化成為制造商的燃眉之急。確定他們的流動行為是挖掘產品潛力的第一步。

原文鏈接：New insight into the flow of polymer and 'living polymer' solutions

文獻鏈接：Elastic instabilities in planar elongational flow of monodisperse polymer solutions

本文由材料人編輯部楊樹提供素材，薛文嘉編譯，點我加入材料人編輯部。

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