教教你，高分子和活性高分子溶液是如何流动的？

材料牛注：我们在化妆品、食物、墨水、颜料等领域常常能看到高分子的身影，掌握它们的流动机制将会大大推动工业生产的效率和产品品质。有这样一群科学家正致力于研究高分子和活性高分子溶液的流动，让我们一起了解一下他们的科研成果。

图1:由左至右为流速依次增加时双折射（上）和流型（下）。流体从十字关节的上下流入，左右流出。左图流速较低，图像表现出稳定和对称的特点，当流速上升时，双折射图反映出聚合物的伸长，流型明显变得扭曲。       来源：冲绳科学技术大学院大学（OIST）

流体，比如说水，它们的粘性行为用牛顿力学非常容易理解。但是，还有许多常见流体是粘弹性的。这些流体常见于化妆品、皂类产品和颜料中，同时具有粘性、弹性、液体和固体的特性。我们对其流动的原理知之甚少。

尽管不清楚它们的流动特性，制造商仍将这些流体添加到了各种各样日用品中。如果没有粘弹性的流体，生活将会发生翻天覆地的变化。如果我们可能会失去香波浓密的泡沫、失去富有嚼劲的口香糖、失去挚爱的弹力运动鞋。

为了更了解这些流体，来自OIST Micro/Bio/Nanofluidics Unit的研究者们对不同粘弹性流体的流动特性和行为进行了深入研究。研究中心的Amy Shen教授和Simon Haward博士正对制造产品中常用的两种液体——高分子溶液和活性高分子溶液进行研究。

高分子是由重复的原子团组合成的大分子。高分子溶液具有广泛的应用范围，尤其在食物、墨水、颜料和滴眼液、人工唾液等修复液领域。流动时，这些聚合物高分子可以像橡皮筋一样拉长，从而使流体具有弹性。

图2：一个具有粘弹性的蠕虫状胶束溶液在一个直的微通道流动时，流经柱状物附近由流体弹性产生的现象。  比例尺：200μm : 0.2mm    来源：冲绳科学技术大学院大学（OIST）

在与麻省理工的研究者Gareth McKinley教授的合作研究中，Shen和Haward观察到一系列粘弹性高分子溶液的流动模式，如图1所示。他们利用流动双折射发现，当经过十字交叉口时流速上升，聚合物分子在通过交叉口中心的时候被大幅拉伸成狭窄的绳状。流动双折射现象是由光射入液体使其流动，并发生自身的折射时带来的微小变化引起的。这些光折射的变化与流体流动过程中的弹性应力有关。研究者发现双折射光束中的弹性是导致观察到的流动模型扭曲的原因。继续增加流速会进一步导致流动模型产生更大的波动和不稳定。

经过这些试验发现，在拉伸流动过程中不稳定性发生的机制与粘弹性不稳定性在其他更简单的流动模型中的机制是一致的。因此，在一个弯曲的管道里，根据精确的几何条件和流体性质可以非常好地预测不稳定性的发生。但是，到目前为止针对拉伸流动尚未有类似的预测。

许多工业生产过程涉及到粘弹性流体的拉伸流动，如挤出加工、纤维纺丝和喷墨印刷等。流动的不稳定性会对产品的质量产生致命的影响，因此稳定性限制了产品的生产速度。对不稳定性发生的预测将有助于在范围内提高生产速度并获得质量良好的产品。研究的结果在Scientific Reports上发表。

Micro/Bio/Nanofluidics Unit同样也研究了活性高分子的流动。和其他高分子一样的是，这些材料是由多种重复的单元组成的长链分子，但有别于其他高分子的是，这些单元并不是由化学键键合在一起的，而是依靠其他力量凝聚在一起。蠕虫状胶束(Wormlike micelles，WLM)，一种活性聚合物，在溶液中聚合为长棒状的悬浮物。这些材料在工业上有大量应用，包括洗发水和化妆品的添加剂，强化采油(EOR)的材料。

确定这些材料的流动对于如何优化他们的应用至关重要。这些材料广泛存在于各类产品中，并运用在许多工业生产中，使他们的优化成为制造商的燃眉之急。确定他们的流动行为是挖掘产品潜力的第一步。

原文链接：New insight into the flow of polymer and 'living polymer' solutions

文献链接：Elastic instabilities in planar elongational flow of monodisperse polymer solutions

本文由材料人编辑部杨树提供素材，薛文嘉编译，点我加入材料人编辑部。

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