舌尖上的非牛顿流体

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本文从流变学的角度，介绍了多种食品中非牛顿流体的挤出膨大、剪切变稠、剪切变稀、拉丝效应等奇妙的特性，以及这些性质在日常生活和工业生产中的应用。

机器挤出的面条会变胖
我是北方人，喜欢吃面食，其中面条是我的最爱，为此专门买了一台面条机，打算自己轧面条。面条机有多种模具，有圆的、扁的，有粗的、细的，可以根据自己的喜好选择。我选择了直径1.80毫米细孔的模具，可挤出面条一看，面条显然比模具直径1.80毫米的细孔粗得多，将近2.90毫米（见图1），这是怎么回事呢？原来这是非牛顿流体的挤出膨大效应。

面粉中含有大量的蛋白质、淀粉、纤维素等高分子物质，很多高分子物质都具有挤出膨大效应。高分子物质在没有受到外力时，其中的分子链蜷缩成小团，一旦施加了外力作用，分子链就沿着外力方向舒展开。面粉与水混合成小面团，小面团被螺杆压入模具小孔，高分子物质的分子链受到螺杆推力，被迫沿着小孔方向取向，分子链储存了一定的弹性势能，取向过程的时间很短，由于高分子的黏弹性，一旦面条脱离了模具小孔，压力消失，这种取向作用就消失了，分子链的弹性势能释放，就产生回弹效应，宏观上表现为面条就要胀粗一些。看来面条机模具设计者还不懂挤出膨大效应的原理，面条机模具的小孔应该设计的再小一些。在制作裱花蛋糕的时候，也可以看到挤出奶油或者奶酪的小孔很小，但挤出的奶油或奶酪条却比小孔粗，这也是挤出膨大效应（见图2）。

高分子物质的挤出膨大效应，在高分子材料的生产中是特别需要考虑的重要因素，特别对于产品模具的设计十分重要。在高分子线材的生产中，根据挤出物的胀大系数，模具的孔径一定要比所生产的线材的直径要小，才能生产出合格的线材。如果按照设计线材的直径加工模具的孔径，则生产出的线材一定比设计的直径粗。在生产矩形截面的产品时，聚合物熔体从一根矩形截面的模具口流出，管截面长边处的胀大，比短边处的胀大更加显著。尤其在管截面的长边中央胀得最大。因此，如果要求生产出的产品的截面是矩形的，口模的形状就不能是矩形，而必须是四边中间都凹进去的形状（图3）。

肉馅越搅拌越费力
北方过年家家户户都要包饺子，包饺子和馅时会发现，向同一个方向搅拌肉馅，特别是羊肉馅，肉馅会越搅越稠，越搅越费力。这是因为肉馅也是非牛顿流体，具体来讲是剪切变稠流体。这类非牛顿流体的黏度随流速梯度增大而增大，这是因为当颗粒浓度很高并接近最紧密排列时，两层间的相对运动将使颗粒偏离最紧密排列，需消耗额外能量。当流速增加而使颗粒动能增高时，产生絮凝，也使黏度增大。食品中有很多剪切变稠的流体，例如芝麻酱、肉糜、淀粉浆、面糊等。吃凉拌菜少不了芝麻酱，如果筷子快速搅拌芝麻酱时，就会发现它越搅越黏稠，感觉到有很大的阻力。所以在搅拌这类物质时，需要逐渐添加适量的水降低它的黏度。

剪切变稠在工业上也有重要的应用，有人发明了“剪切增稠液”(Shear ThickeningFluid)(STF)，将极其细小的纳米球形微粒（如SiO2球形微粒）混入到不挥发、流动性好的无毒液体中，形成悬浮液或凝胶。这种流动性很强的液体和坚硬的微粒结合后，即能形成性能非比寻常的剪切增稠液体。这种新型液态材料平时非常容易变形，纳米级硬质粒子呈悬浮状态；然而，一旦受到冲击，在碰撞点原先呈悬浮状态的硬质纳米粒子便会骤然聚集成微粒簇，从而使剪切增稠液体在瞬间变得十分坚硬，阻止致命冲击对人体的伤害。当子弹高速撞击这种材料时，“剪切增稠液”防弹衣就会吸引撞击能量，并迅速变得极其坚硬。

利用这种具有剪切增稠特性的液体也可制作多种人体防护装备，这些防护服装和服饰主要是用来防止和减少运动物体的冲击、穿刺、切割、撕裂、拉伸所带来的伤害和损害，拥有防冲击、防破片、防刃刺、防锥刺、防针刺、防切割、防砍、防砸、防链锯切割和防飞溅等功能。STF防护服平时穿用非常柔软舒适，一旦遭到砍刀、匕首等利物砍、刺，破片冲击，就在受到冲击的瞬间变得坚韧无比，而且能将冲击力沿织物迅速分散开来，大大降低单位面积的压强。当冲击力消失之后，剪切增稠液又恢复液体状态，织物也重新变软。

英国BAE系统公司研制出一种液体防弹衣。这一具有革命性的发明就是采用“剪切增稠液”的液体，该液体在受到子弹冲击时会变硬从而起到阻挡子弹的作用。新型液体防弹衣（图4）可以为士兵提供史无前例的有效保护，同时又能保证他们自由灵活地运动，不再受到笨重的传统防弹衣的限制。“剪切增稠液”还可喷涂于两层芳纶1414织物之间，制成超强超薄防弹衣。本来芳纶1414材料的强度就是钢铁的五倍，因此它也被认为是标准的防弹衣材料。这种新型超强超薄防弹衣比普通的防弹衣要薄得多，而重量只相当于普通的一半。

酸奶与剪切变稀

买来的酸奶有时会比较稠，用吸管吸食会比较费力，这时如果用小勺搅拌几下，酸奶就会变得比较稀，这就是剪切变稀现象。剪切变稀的食品还有冰激凌、蛋黄酱、番茄酱和植物蛋白型饮料等。

有一种剪切变稀的润滑脂，当施加一个外力时，润滑脂的流动在逐渐变软，表观黏度降低，但是一旦处于静止，经过很短时间，稠度再次恢复。润滑脂的这种特性，决定了其可以在不适于润滑油润滑的部位润滑，而显示它优良的性能。此外，很多日化用品比如牙膏、洗发露、润肤露等，都是剪切变稀的非牛顿流体。

拔丝菠萝与拉丝效应

拔丝菠萝、拔丝香蕉、拔丝苹果（图5）、拔丝山药、拔丝紫薯、拔丝元宵等菜品，是过年餐桌上的美味佳肴，亮晶晶的细糖丝玲珑剔透，看着那么诱人。蔗糖在食用油中加热熔化到一定温度，就能拉出亮晶晶的细糖丝，这就是非牛顿流体的拉丝效应。

孩子们通常会买一朵大大洁白的棉花糖举着边走边吃，棉花糖也是将白砂糖颗粒加热熔化后，利用旋转的剪切效应将糖浆牵拉成细丝制作成的（图6）。

如果仔细观察制作糖葫芦的过程，可以发现，将挂满热糖浆的山楂串要用力在泡过水的木板上一按，再来回搓动一下，在山楂靠木板的一侧就会拉出一层薄薄的糖片（图7），这实际也是也是糖浆的拉丝过程。

要说拉丝冠军，非蚕和蜘蛛莫属，蚕腹部的丝腺内充满了蚕丝的原料——丝蛋白的胶质溶液，称为丝液。“后部丝腺”是合成丝蛋白的地方，“中部丝腺”是贮存丝液的地方。蚕的头部有一个由“角质蛋白”形成的“调节口”，当丝液经过它时，通过对丝液的流量进行适当的调节，就能拉成纤细而漂亮的丝线，其直径可以细到0.002毫米，长度可达1200米左右，留下了“春蚕到死丝方尽”的佳句。现代化学纤维工业中，人们正在摸仿蚕所做的工作，用“拉丝”的办法制造尼龙和涤纶等各种合成纤维。只是在开始做成丝状时，先要对熔融的聚合物液体施加很大的压力，使其从一个小孔中挤压出来，再去牵拉。如何又快又好地拉出丝来，正是“流变学 (Rheology)”中“拉丝流动”所研究的内容。实际上，我们现在还比不上蚕，还不能像蚕那样只靠拉牵就能制出漂亮而结实的丝线来。

结束语

力学与人类的生产和生活密切相关，衣食住行等日常生活中存在很多力学知识、力学原理和力学现象，工业生产中有很多技术都是利用了力学知识和力学原理发明出来的。只要我们认真观察并认真思考，就能够发现这些原理和奇妙现象，并体会到观察生活、认识力学的乐趣，为科学技术进步做出贡献。

（本文将刊载于《力学与实践》2017年第1期，文字略有改动）

来源：力学与实践微信公众号（ID：lxysj_cstam），作者：姜楠。文章略有删减。