擠牙膏的時候，你會發(fā)現(xiàn)牙膏蓋子上面殘留的牙膏會變成堅硬的殘留物，水泥，粘土，土壤，油墨，涂料等等，生活中各行各業(yè)都隨處可見致密的膠體懸浮液會隨著年齡的增長而變硬。數(shù)十年來，大家認為這是結(jié)構(gòu)動力學(xué)和材料載荷變化導(dǎo)致的結(jié)果。直到最近研究人員發(fā)現(xiàn)了一種稱為接觸控制老化的過程，解釋了糊狀材料中一些與時間相關(guān)的變化。
生活中各行各業(yè)都隨處可見致密的膠體懸浮液或糊劑，如環(huán)境系統(tǒng)（淤泥、粘土），工業(yè)（陶瓷，鉆探泥漿，泥漿）和建筑（抹灰，水泥），食品，化妝品，藥品（牙膏，醫(yī)用陶瓷）。流動時，它們的粘度取決于時間和應(yīng)變。靜止時，它們的剪切模量和屈服應(yīng)力會緩慢的老化。
在 “穩(wěn)定”懸浮液動力學(xué)中，可通過調(diào)節(jié)粒子間的相互作用（尤其是雙層極化）完全避免粒子間粘合劑接觸的形成?！胺欠€(wěn)定的”懸浮液研究主要集中在結(jié)構(gòu)變換（如絮狀物的形成）。人們在研究懸浮液時只考慮結(jié)構(gòu)動力學(xué)作為反觸變性一個可能的原因，但土木或環(huán)境工程中的漿料是稠密的，通常含有足夠的離子濃度以屏蔽庫侖排斥力，因此固-固接觸時存在范德華力，這會極大的影響宏觀性能。
然而，懸浮液的接觸和宏觀老化之間的直接關(guān)系至今還未建立。Pantina通過光阱三點彎曲試驗證明聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚苯乙烯顆粒的光束呈現(xiàn)撓曲模量，這需要顆粒間的接觸以抵抗滑動和滾動?；谠摤F(xiàn)象，法國埃菲爾大學(xué)Ana?l Lema?tre團隊研究接觸彎曲剛度變化與機械老化的關(guān)系，并將結(jié)果發(fā)表在《Nature Material》.
【結(jié)果與觀點】
1.作者使用流變儀測量通過添加二價鹽而絮凝的二氧化硅懸浮液的剪切模量。各種顆粒懸浮液（尺寸：0.5~1.9μm，體積分數(shù)：29％~ 40％）的宏觀剪切模量G ‘與時間t在后期呈準對數(shù)增長，而微觀結(jié)構(gòu)保持不變。
2.作者通過激光鑷子證明二氧化硅顆粒形成不可逆的固-固、抗?jié)L動的接觸；接觸彎曲剛度與時間呈準對數(shù)增長。
基于觀察結(jié)果，作者認為宏觀老化是沒有任何微觀結(jié)構(gòu)變化的逐漸性接觸硬化，且宏觀剪切模量的增長本質(zhì)上是由彎曲(而不是拉伸)接觸剛度決定的。
【過程展示】
1. 老化——微觀結(jié)構(gòu)無變化
作者首先確立研究系統(tǒng)的整體特性，為確?？芍貜?fù)性，進行任何宏觀的老化測量之前，二氧化硅顆粒懸浮液通過預(yù)剪切作用進入初始狀態(tài)。從預(yù)剪切扭矩設(shè)為零開始計算老化時間t。剪切模量G ‘隨時間增加，然后以準對數(shù)方式增長。G ‘與離子強度I無關(guān)，隨堆積分數(shù)?的增加而增加，粒子半徑a的增加而減小。
接下來，為了評估老化是否是由微觀結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的，作者使用共聚焦顯微鏡對在水和甘油混合物（60/40 wt％）中的二氧化硅顆粒成像并在老化過程中三個時間段的圖像重建顆粒位置。如果顆粒隨時間消失，熒光會逐漸褪色，那么那些離焦平面稍遠的顆粒會變得越來越難以區(qū)分。但在三個時間內(nèi)，所有粒子基本上都固定在相同的位置。這證明在機械老化過程中，微觀結(jié)構(gòu)是恒定的。
既然懸浮液顆粒在剪切模量老化時微觀結(jié)構(gòu)沒有改變，那么極有可能是急速形成的固-固接觸導(dǎo)致老化。作者提出以下兩個疑問：
1.不同離子強度是否對純水中二氧化硅顆粒固-固接觸形成和老化有影響？
2.如果是這樣，在假設(shè)體系被接觸捕獲后微結(jié)構(gòu)迅速固定的情況下，能否根據(jù)接觸老化預(yù)測機械老化？
2. 固-固接觸穩(wěn)定性及其老化
為了回答問題（1），作者開展了光學(xué)鉗實驗，由奇數(shù)二氧化硅顆粒組裝成棒條并進行三點彎曲實驗。
在低離子強度的水懸浮液中，靜電排斥力形成勢壘，該勢壘限制固-固體顆粒間接觸(見視頻)。光阱可打破顆粒之間的弱粒子間鍵。若I?≥?0.1?M，該勢壘不存在。當接近兩個粒子時，它們之間會形成一個無法打開的接觸。一旦這種接觸形成，顆粒組裝成的棒條能在數(shù)個小時內(nèi)保持穩(wěn)定，并且在宏觀老化時間范圍內(nèi)，它們不會因熱活化而分裂。
作者通過在激光鑷子實驗過程中分析顆粒棒條的圖像，得出以下結(jié)論：在負載下，棒條是根據(jù)歐拉-伯努利方程進行彎曲，表明其接觸抗?jié)L動；彎曲模量隨時間增長；彎曲剛度在后段時間呈對數(shù)增長。這項實驗結(jié)果表明抗滑動的固-固接觸不會熱活化而分裂。接觸點能快速形成，懸浮微結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，且固-固顆粒間存在接觸老化。
3. 從接觸老化到宏觀老化
作者緊接著回答了問題（2）。圖4a表明剪切模量G ‘與抗彎剛度k0呈線性關(guān)系，證明宏觀老化是由顆粒間接觸的逐漸硬化導(dǎo)致的，其微觀結(jié)構(gòu)在接觸后不久基本凍結(jié)。
接著，作者詳細地探討接觸老化的原因及其宏觀老化。二氧化硅表面之間的總表面能W隨時間的增加而增加，從而增加固-固接觸位置及抗彎剛度k0。有效抗彎剛度取決于顆粒尺寸。作者根據(jù)宏觀模量G ‘、結(jié)構(gòu)因子S、彎曲剛度k0及老化時間t之間的關(guān)系推導(dǎo)出公式：
證明接觸老化可預(yù)測宏觀模量G ‘，并驅(qū)動宏觀老化，在log(t/τ)4/3時間尺度上，彎曲剛度k0與G ‘變化趨勢呈一致性。但在接觸時效的精確機制、顆粒結(jié)構(gòu)的接觸剛度和模量之間的聯(lián)系方面仍需要理論進展。
4. 接觸老化的通用性——PMMA懸浮液的接觸老化
最后，為了證明接觸觸發(fā)宏觀老化的普遍性，作者研究了CaCl 2鹽溶液中的PMMA懸浮液。結(jié)果表明PMMA顆粒之間形成了固-固接觸。然而，由于Ca 2+陽離子與PMMA表面的親和力導(dǎo)致的粒子電荷反轉(zhuǎn)，彎曲剛度變化并非單調(diào)地取決于離子濃度I（圖5a）。與二氧化硅顆粒不同的是， PMMA顆粒的接觸老化是接觸界面的鏈糾纏。PMMA懸浮液的宏觀剪切模量同樣與離子強度I相關(guān)（圖5b）。G ‘ (t)的增長可以從k0(t)的時間序列中重構(gòu)。與二氧化硅懸浮液相同，PMMA顆粒的彎曲剛度k0的增長增加了宏觀模量G ‘.
【結(jié)論】
作者確定了一種單一的老化情況，即兩種性質(zhì)各不相同的濃縮離子模型懸浮液。如果離子濃度足以屏蔽庫侖排斥力，就會形成固-固接觸，該接觸剛度隨后驅(qū)動宏觀機械老化。許多材料的老化可能就是這種情況，如水泥、沉積物、陶瓷、污水污泥、礦山尾礦等。本研究中接觸和機械老化之間的定量關(guān)系為預(yù)測模型提供了合理的起點，并為通過控制和調(diào)整顆粒的表面化學(xué)來調(diào)節(jié)機械老化開辟了新道路。
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