「吃軟不吃硬」的神奇材料——D3O

這是什麼東西？是橡皮泥嗎？No！它是&34;的材料D3O。

目前已經有上百種產品用到了D3O，從手機殼到護膝再到芭蕾舞鞋。雖然名字聽起來非常黑科技，但是它主要的作用就是防撞擊。與鋼鐵等高強度材料不同，D3O在常規狀態下是柔軟的，卻能防住突然的受力撞擊。

D3O是一種工程定向設計的材料, 確切的分子結構還屬於商業秘密。根據研究人員的介紹，這是一種由黏性流體 (viscose fluid)和聚合物 (polymer)所合成的材料，屬於&34;材料的類別，具有&34; (strain rate sensitivity) 的特殊性能。

有廠商將D3O材料帶到了在美國拉斯維加斯舉行的2013消費者電子品展上。參展期間，一位來自英國Tech 21公司的參展人員拿D3O做了一次試驗：他先將D3O隨意揉成形狀並覆蓋在自己的手指表面，然後用木槌猛烈敲打被覆蓋D3O的手指，結果試驗者的手指沒有感到任何的不適。

D3O的誕生

英國科學家理察·帕爾默是一位滑雪愛好者，他當時非常希望能找到一種材料能使他免受滑雪板帶來的磕碰之苦（據說是在一次滑雪事故中受了傷）。於是,1999年帕爾默啟動了相關的研究。功夫不負有心人，在2005年，帕爾默帶領他的研究小組找到了這種材料，並以發明它的實驗室命名——D3O。這種材料減震性能高，可用於製造防碰撞保護產品，其外形很像兒童喜愛玩的彈性橡皮泥。該材料自問世以來就只有亮橙色這一種顏色。

它為什麼&34;？

原因總結起來就一句話：D3O材料是一種特殊的流體——非牛頓流體。在介紹非牛頓流體前，我們先好好了解下牛頓流體。

牛頓流體就是任一點上的剪應力都同剪切變形速率呈線性函數關係的流體稱為牛頓流體。而非牛頓流體，是指不滿足牛頓黏性實驗定律的流體，即其剪應力與剪切應變率之間不是線性關係的流體。

簡單來說，就是多數流體的粘度僅受溫度的影響。什麼是粘度？粘度是描述流體流動阻力的量，粘度高的物質不容易發生移動，粘度低的物質則容易移動，舉個例子：水（粘度低）比蜂蜜（粘度高）更容易移動，耗時也更短。物體的粘度受溫度影響，再舉個例子：冬天早上發動汽車的時候，發動機上的油又厚又粘，所以很難打著火，但是一旦發動機變熱了，上面的油就沒那麼粘了。常見的流體比如水和油，不管它們流過的管道速度有多快，粘度一直保持恆定，溫度是影響它們粘度的唯一因素，這種流體稱為牛頓流體。但是有些流體的粘度除溫度外還受到其他因素的影響，這些流體稱為非牛頓流體。非牛頓流體的粘度會隨著攪拌或者壓力（剪切應力）的改變而改變。而牛頓流體的粘度則不受剪切應力的影響。

水、酒精等大多數純液體、輕質油、低分子化合物溶液以及低速流動的氣體等均為牛頓流體。絕大多數生物流體都屬於所定義的非牛頓流體。人身上血液、淋巴液、囊液等多種體液，以及像細胞質那樣的&34;，還有很多聚合物的溶液或者熔體都是非牛頓流體。

粘有D3O材料的雞蛋依舊完整，粘 有普通橡皮泥材料的雞蛋則破碎

剪切稀化流體

剪切稀化指由於流速的增加引起黏度減小。大部分液態食品都是剪切稀化流體。比如我們倒番茄醬時，用力地晃動番茄醬就容易流出來。我們常在電影中看到流沙也屬於剪切稀化流體。如果被困在流沙中，你越掙扎，沉沒的速度就越快。你用的所有力都會降低流沙的粘度，從而加速流沙的移動。其實流沙很少能沒到人頭部，因為它的密度是人體密度的兩倍，只要放輕鬆，就會自動浮上來。

剪切稠化流體

另一種流體對剪切力的響應結果則是反的。如施加剪切力，那麼該流體會變得更粘稠，這種流體稱為剪切稠化流體。玉米澱粉和水的混合物就屬於這一範疇，當你用力迅速擠壓它的時候，它會變得異常堅硬，成凝固狀態。如果你有一泳池的玉米澱粉和水的混合物，你甚至可以在上面奔跑。

央視一個科普節目中曾經介紹到這種剪 切稠化流體，人可以在上面奔跑通過

D3O材料就是一種剪切稠化流體，它是由油性液體潤滑劑和懸浮在其中的聚合物混合而成。在正常情況下，材料中的分子間只有很弱的連接力,並且可以自由運動,所以材料柔軟、可彎曲；當突然受到外力的衝擊而變形時,就會引起材料中分子間的連接力增強，可自由運動的分子立即被凍結，使材料變得非常堅硬，吸收衝擊能量,成為具有保護性的盾牌，衝擊結束後，材料又恢復到原有的柔軟狀態，這一過程是瞬時可逆的。

剪切稀化流體和剪切稠化流體在受力後除了粘性變化相反外，還有一點就是剪切稀化流體需要長時間的作用力才能降低粘性，而剪切稠化流體則是突然應力，使其變硬。

D3O的實際應用

（一）運動護具

由於D3O作為一種剪切稠化流體,能在受到衝擊時提供保護，比如可以作為護膝和護肘。在正常狀態下, D3O呈現流體性質，容易流動，因此佩戴簡單，佩戴者的活動也不會受到影響。但一旦摔倒，滑板、膝蓋撞到地面，D3O會立即&34;，比傳統護膝提供了更大程度的保護。D3O被廣泛應用於運動護具中，目前市場上許多運動品牌都運用了這一材料。

上某寶搜索D3O就會看到一堆的護膝、護腕、頭盔、運動鞋、防護型運動裝、護腿板、摩託車甚至芭蕾舞鞋等。

D3O還用於各種運動中的特製頭盔,從足球、曲棍球到壘球。美國兒科學會報告說,在過去十年中，青少年腦震蕩的數量翻了一番，達到四百萬到五百萬次。希望這種材料可以降低腦震蕩率。目前市面上頭盔主要是在撞擊時保護頭部，但卻不能阻止顱骨內大腦本身的運動，而這才是腦震蕩的原因。設計這種降低大腦運動的頭盔是一個非常有意義的事情，還涉及到生物工程，運動醫學和材料科學等學科。

在2006年都靈冬季奧運會上,美國和加拿大等國的高山滑雪選手就穿著這種採用了D3O材料的神奇滑雪服。包括滑雪所需的高柔韌度護膝和軟帽。

（二）軍隊武裝

由於它是一種能將自由活動與碰撞打擊保護結合在一起的很理想的材料,也被稱為&34;。既然稱之為鎧甲，那麼對於每日處於高危的軍人就尤為重要。新型防護設備選D3O（黃色)做內膽，外面覆蓋一層聚氨酯（TPU，灰色）。在受到外界衝擊力後，TPU能將這種應力分散至整個材料，隨後D3O變硬，吸收應力，從而起到保護作用。2009年，一家公司與英國國防部籤訂了10萬英鎊的合約，研製適用於阿富汗前線英軍士兵的減震膠頭盔。

現在D3O已經應用在了防彈背心和頭盔中。當它和其它材料一起製備成複合材料時，作用更加明顯，比如擋子彈和彈片。這種防彈衣在受到衝擊時會立即變硬，保護穿戴人。

（三）作為手機保護殼

手機如果一不小心掉在地上,不論是屏碎還是劃痕，都夠讓人心碎了。不過將D3O運用到手機殼中，就完全不用擔心這個問題，它能為你的手機提供完美保護。如果手機經常掉在地上，那你可以考慮入手一個帶D3O材料的手機殼，官網售價29.99刀。

可見D3O這種材料在生活中處處都有應用的潛能。也許很快D3O以及非牛頓流體材料就會滲入我們生活的方方面面。

參考資料：

化學加

中科院物理所

百度百科

https://www.d3o.com/