新的相关比率使研究人员能够更好地了解软材料的行为

几十年来，软材料结构崩溃背后的机制一直困扰着研究人员。在一项新的研究中，研究人员发现了一个指标，最终将微观水平的过程与宏观层面的所见所闻联系起来。

研究人员表示，新指标有望帮助推进各种材料工程挑战 - 从更好的3D打印墨水的配方，可穿戴柔性电子产品和传感器的构建，生物医学植入物的精确打印，到帮助控制山体滑坡和雪崩，甚至改善加工食品和个人护理产品的质地。

来自诺伊大学厄巴纳-香槟分校的化学工程师团队在理解软材料如何失效或屈服于力方面取得了许多进展。然而，将团队的大规模观察与微观层面发生的事情联系起来仍然难以捉摸。

在这项研究中，U. of I.的研究人员与阿贡国家实验室，约翰霍普金斯大学和渥太华大学的团队合作，用他们称之为“相关比率”的新指标解释了这种关系。

研究结果发表在《美国国家科学院院刊》上。

该团队使用一种称为流变X射线光子相关光谱的高功率显微镜技术来实时研究流动依赖性结构 - 性质关系和软材料。

研究人员说，Rheo-XPCS是为数不多的技术之一，允许研究人员在材料变形时对材料进行X射线分析，同时使用流变仪(测量应力和应变的设备)直接与X射线束对齐进行测量。

“从材料科学的角度来看，我们无法区分材料何时在微观结构尺度上从固体变为液体，”领导该项目的诺伊州化学和生物分子工程教授Simon Rogers说。“阿贡国家实验室的Rheo-XPCS让我们前所未有地看到了软材料屈服于应力的微观行为。

在实验室中，该团队使用了一种称为软胶体玻璃的材料，这是一种由二氧化硅制成的无序纳米颗粒系统。

“我们称它为软材料，因为粒子间的相互作用导致它有点柔软 - 就像将一堆水气球推在一起形成材料一样，”该研究的第一作者，前诺伊州研究生Gavin Donley说。“我们使用这种特殊的材料，因为它提供了强大的X射线信号，我们可以在同时进行宏观测量时记录该信号。

这项技术使研究人员最终见证了微观位移和宏观行为之间的直接联系，使他们能够使用数学术语定义行为。

“深入了解这个问题的具体细节是向前迈出的一步，因此想要设计新软材料的未来研究人员可以通过调整各种微观参数来获得所需的宏观特性，”Donely说。“我们还没有完全做到这一点，但我们已经展示了微观和宏观尺度之间明确定义的数学相关性。