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有這樣一種材料，捏起來軟軟的像是橡皮泥，除了顏值高點，似乎也沒什么特別。

但是！軟材料卻能展現出極其“硬氣”的一面，用它包覆雞蛋，雞蛋用錘子都砸不壞。

實際上，這是一種名為D3O的新型材料，這幾年在美國市場大放異彩。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。雖然名字聽起來像《星球大戰》中才能用得到的家伙，但是它的功能還是非常接地氣的：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。

英國工程師Richard Palmer于1999年發明D3O，作為一位滑雪愛好者，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）。最終他找到了這種材料，并以發明它的實驗室命名——D3O。該材料自問世以來就只有亮橙色這一種顏色。

原始狀態的D3O非常容易產生形變，但如果迅速對它施加外力，它會突然變硬，并立即吸收外界能量。 圖片來源：www.thefitrv.com

它為什么“吃軟不吃硬”？

D3O材料上述的這種特點，像極了我們中國人常說的“吃軟不吃硬”，那么，它為什么會有這樣的性質呢？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。

牛頓流體與非牛頓流體

在介紹非牛頓流體前，我們先好好了解下牛頓流體。牛頓除了發現偉大的力學三大定律外，還發現：多數流體的粘度僅受溫度的影響。什么是粘度？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，舉個栗子：水（粘度低）比蜂蜜（粘度高）更容易移動，耗時也更短。好了，接著說粘度和溫度的關系，牛頓發現有些物質加熱后，就變得沒那么粘了，而一旦溫度降低它可能就會變得非常粘稠。再舉個栗子：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，上面的油就沒那么粘了。常見的流體比如水和油，不管它們流過的管道速度有多快，粘度一直保持恒定，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。

很多聚合物的溶液或者熔體都是非牛頓流體。聚合物是由一種或幾種結構單元重復并最終串聯起來的分子量很高的化合物。常見的人工合成聚合物有塑料、橡膠、人造纖維等，天然聚合物包括DNA、蛋白質、淀粉等。

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

仔細想想你倒番茄醬的場景，是不是每次都搖晃瓶子或者敲下瓶子底，讓它流出來。這個動作就是在對番茄醬施加剪切應力，讓它變得不那么粘。所以當晃動或攪拌后粘性變小的流體，就稱為剪切稀化流體。同樣屬于剪切稀化流體的還有剃須膏，油漆等等。如果你在兩手之間揉搓剃須膏的話，它會變薄并且容易流動，因粘度降低了。

我們常在電影中看到流沙也屬于剪切稀化流體。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。難道就沒有什么自救的方法了么？不用擔心，流沙很少能沒到人頭部，因為它的密度是人體密度的兩倍，只要放輕松，就會自動浮上來。

圖片來源：網劇《鬼吹燈之精絕古城》

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，那么該流體會變得更粘稠，這種流體稱為剪切稠化流體。玉米淀粉和水的混合物就屬于這一范疇，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淀粉和水的混合物，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）

之前講到的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。當作用力緩慢施加到剪切增稠流體時，聚合物鏈有時間移動并重新排列，因此粘度不受影響。但如果快速施加作用力時，聚合物鏈沒有時間重排，同時會糾纏在一起，粘度大大增加。這就好比一個春運時的火車站，如果每個人都往檢票口擠，就會發生擁堵，但如果用長圍欄隔開，每個人都有秩序的排隊往前走，那么大家最終都能有序離開。

剪切稀化流體和剪切稠化流體在受力后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。

剪切稀化流體（左）：施加的剪切力破壞了聚合物間的氫鍵（或其它二級結構），聚合物更容易流過。 去除應力時，聚合物鏈之間的氫鍵再次形成。剪切稠化流體（右）：施加剪切力可導致聚合物的無規卷曲解開并且彼此纏結，提高粘度。 去除應力時，聚合物恢復到無規線團狀態。圖片來源：RS GRAPHX, INC.

大顯身手的D3O

作為運動保護材料：

由于D3O作為一種剪切稠化流體，能在受到沖擊時提供保護，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“變硬”，比傳統護膝提供了更大程度的保護。

含有D3O材料的護膝 圖片來源：D3O Technology

D3O還用于各種運動中的特制頭盔，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。

使用D3O內襯的曲棍球頭盔 圖片來源：D3O Technology

作為軍事防護材料：

D3O最重要的作用恐怕就是保護警察和軍人的生命了。傳統的防彈背心和其他類型的防彈衣由于太大，行動不便，甚至影響執行任務，所以并不那么受歡迎。

新型防護設備選用D3O（黃色）做內膽，外面覆蓋一層聚氨酯（TPU，灰色）。在受到外界沖擊力后，TPU能將這種應力分散至整個材料，隨后D3O變硬，吸收應力，從而起到保護作用。圖片來源：D3O Technology

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制備成復合材料時，作用更加明顯，比如擋子彈和彈片。這種防彈衣在受到沖擊時會立即變硬，保護穿戴人。

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。

D3O和其他類似的非牛頓產品的使用方法似乎無窮無盡。比如是否可以應用在車身，減少撞車發生的悲劇。也許很快有一天D3O這種可硬可軟的材料就會滲入我們生活的方方面面。 

參考資料：

https://www.acs.org/content/acs/en/education/resources/highschool/chemmatters/past-issues/2016-2017/february-2017/no-hit-wonder-d3o.html