美国能源部阿贡国家实验室与芝加哥大学的研究人员利用X射线光子相关光谱(XPCS)技术与计算机模拟，揭示了软材料在屈服和流动过程中纳米级颗粒的运动规律，发现颗粒间相互作用方式的微小差异即可使材料呈现出截然不同的流动行为。相关成果已发表于《美国国家科学院院刊》。
在应力作用下，软材料中颗粒间的相互作用会表现出不同的流动行为。左侧，排斥性颗粒形成平滑且可预测的流动;而右侧，吸引性颗粒形成团簇，导致不均匀的剪切带，展现了屈服和重凝固的复杂动力学过程。(图片由谷歌Gemini生成。)
"屈服"是指材料从固态行为向液态行为的转变，番茄酱从瓶中突然流出即为日常生活中的典型例子。阿贡国家实验室助理物理学家何宏瑞解释说，世上没有完全的固体或液体，一切都介于两者之间，屈服就是从一种状态向另一种状态的转变。
为研究这一转变，团队制备了两种由悬浮在液体中的微小颗粒构成的材料。其中一种颗粒经特殊处理，彼此主要相互排斥;另一种通过添加盐溶液使颗粒间产生轻微吸引力，倾向于聚集。研究人员在阿贡国家实验室纳米尺度材料中心对样品的尺寸、成分和表面电荷进行了仔细表征，以确保流动行为的差异仅来自颗粒间的相互作用。
结果显示，当粒子相互排斥时，材料以非常均匀的方式变形，流动方式可预测，内部不会形成大的薄弱点。而当粒子间存在轻微吸引力时，粒子聚集形成致密区域并留下空隙，材料在应力下分裂成流动速度不同的"剪切带"，部分材料几乎被冻结，另一部分则在流动。这导致了延迟屈服和重凝固等复杂行为——前者指材料受应力后抵抗流动一段时间才突然开始流动，后者指材料流动一段时间后突然停止并恢复固体特性。
研究人员将标准流变学与XPCS技术相结合，在阿贡国家实验室先进光子源(APS)8-ID光束线上进行实验。流变学测量揭示了整个样品的宏观响应，XPCS则利用高亮度X射线束追踪散射信号中的微小波动，从而揭示粒子群随时间的运动。来自阿贡国家实验室和芝加哥大学的化学家魏晨表示，这种方法可同时测量小颗粒的运动和整体材料响应，将微观动力学与宏观行为直接联系起来。
此外，研究团队利用阿贡国家实验室高性能计算集群Bebop对大量相互作用粒子的稠密悬浮液进行了计算机模拟。模拟结果表明，剪切带之间的弱连接点起着关键作用：小应力下这些连接点保持稳定，材料缓慢蠕变;随着应力持续，部分连接点突然失效导致延迟屈服;随后新的连接点形成并锁定结构，最终导致再固化。
该研究合著者、纽约大学执行副校长胡安·德·巴勃罗表示，研究将软物质的微观世界与宏观世界连接起来，为以前所未有的精度设计和调节软材料的流动特性提供了框架。该工作由美国能源部科学办公室基础能源科学项目资助。
