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  在時間的長河中，萬物皆流。通常，滿足牛頓流動定律的液體稱為牛頓流體，如水、酒精等。但實際我們生活中隨處可見的是非牛頓流體，例如剪切變稀流體（黏度隨著剪切速率增加而隨之降低），最常見的如樹汁、紙漿、血液、油漆以及多糖溶液等。除此之外，另一類比較罕見的非牛頓流體則是剪切增稠液（黏度隨著剪切速率增加而反常變大），這類流體通常以顆粒懸浮液為主，例如淀粉糊、納米纖維素濃溶液以及聚氯乙烯塑料溶膠等。相對于剪切變稀流體，剪切增稠液能夠在外力作用下發(fā)生液固轉(zhuǎn)變而緩沖外部能量，故多被用于軍工防彈衣、坦克鎧甲、阻尼減速器以及運動緩沖材料等。廣義而言，萬物皆變；但在有限的時間尺度上，流體在外力場下的流變特性一直涇渭分明，很難相互轉(zhuǎn)變。如何將這兩種截然不同的非牛頓特性在有限且可觀察到的尺度上隨時間自發(fā)互變，一直是困擾科學(xué)家們的一個難題。

圖1 非平衡態(tài)非牛頓流體機理示意圖以及分子結(jié)構(gòu)式

  北京林業(yè)大學(xué)彭鋒教授團隊多年來一直致力于木質(zhì)纖維生物質(zhì)組分分離及利用，在前期通過大量對淀粉糊、紙漿以及納米纖維素濃溶液流變特性研究的基礎(chǔ)上，他們近期與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊海洋課題組合作，開發(fā)出一類新型非平衡態(tài)非牛頓流體材料。雖然納米生物基懸浮液常用于制備剪切增稠液，但是存在修飾難、透明度差以及易相分離等問題。為此，他們采用疏水締合聚合物來代替納米基懸浮液，并控制聚合物分子量以及疏水改性取代度，實現(xiàn)高剪切速率誘導(dǎo)下的疏水聚電解質(zhì)分子間交聯(lián)，達到剪切增稠的目的。同時，利用耗散熱力學(xué)（dissipation-control）而非經(jīng)典熱力學(xué)原理（thermal equilibrium-control），通過尿素-脲酶反應(yīng)控制體系pH變化，進一步誘導(dǎo)聚合物線團構(gòu)象隨時間變化，實現(xiàn)了非牛頓流體能夠自發(fā)在剪切變稀與剪切增稠兩種截然不同現(xiàn)象之間轉(zhuǎn)換（圖1）。

圖2 非平衡態(tài)非牛頓流體震蕩行為以及流變隨時間特征

  由于采用耗散熱力學(xué)機理，聚合物非牛頓流體內(nèi)部組裝結(jié)構(gòu)及宏觀性質(zhì)隨時間變化，而非表現(xiàn)為通常熱力學(xué)平衡態(tài)刺激響應(yīng)。具體來看，體系必須依托外界能量的持續(xù)輸入才能表現(xiàn)出剪切增稠的性能，一旦失去能量供給或能量消耗，體系又立即表現(xiàn)出剪切變稀的行為。如圖2所示，隨著時間的推移，我們可以觀察到震蕩變稀以及震蕩成膠兩種截然不同的流體特征。如果進一步控制尿素緩沖液（化學(xué)能）的使用濃度，則可以有效控制剪切場（物理能量）下的非線性力學(xué)性能短暫存在的時間。

  本文以“Biocatalytic Feedback‐Controlled Non‐Newtonian Fluids“在線發(fā)表于國際化學(xué)領(lǐng)域最具影響力的綜合性刊物之一，《Angewandte Chemie International Edition》(德國應(yīng)用化學(xué)國際版，IF=12.257)，本文第一作者為北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院青年教師郝翔，第一通訊作者為其合作導(dǎo)師北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院彭鋒教授，北京林業(yè)大學(xué)材料學(xué)院林木生物質(zhì)化學(xué)北京市重點實驗室為第一單位。

  該工作得到北京林業(yè)大學(xué)中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金和國家自然科學(xué)基金面上項目資助。

  文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201914398