互动科普

某些液体受电场作用立刻成为固态，工程技术人员可利用这种奇特的材料制成速度较高而更适用的机器。

在电影“终结者之二：世界末日(Terminator 2：Judgment Day)”里，出现了T-1000这个几乎是不可摧毁的机器人，能够不费力地从液态变为固态。倘若被子弹射穿，那么机器人的液态金属皮肤能使弹孔融合：倘若被打成碎片，它也能熔化然后再凝结恢复原来的样子。电流变液体就为影片制作人所想象的这种适应能力提供了实现的可能。

电流变液体是一种在电场里发生形态变化的物质。视其所承受的电场强度的不同，电流变液体可以像水一样流动，也可以像蜂蜜那样粘稠，也可以像骨胶一样固化。实际上，这种物质从一种形态转变成另一种形态仅在千分之几秒内即可实现。电流变液体不难配制，就是让显微颗粒悬浮在绝缘液体内即成。但现在它们还没有多少商业用途。这种物质还存在一系列问题，诸如作为固体结构强度不足，作为液体又具有磨蚀性，而且特别是在高温条件下易发生化学分解。

目前，研究人员已经掌握了配制磨蚀性成份含量低、化学性能较稳定的这类流体的方法。可是结构性能弱依然是一个严重问题。如果要设计出实用电流变液体，那么最重要的是要彻底弄清产生高强度固体的悬浮颗粒相互之间的电作用。

电流变液体引起科学家们的极大兴趣不只是因为这种物质具有实用的物理性能，而且还因为它的错综复杂性。电流变液体内的微粒可以组成各种不同的复杂结构。一个极端情况是，当流体自由流动时，微粒的运动相互之间毫无关系；另一个极端情况是，液体变成固态时，微粒联结成肉眼可见的细链和粗柱状。

在研究电流变液体的过程中，我们还对普通物质在典型的液态和固态之间某一阶段的性质进行考察，发现与通常的液态或固态物理性质大相径庭。目前的研究已经使我们对这些不寻常状态下微粒之间的相互作用有了许多新的认识，这些发现是否有助于设计强度更好的流体还有待观察。

研究大员开始对电流变效应发生兴趣是在1947年左右，当时Willis M．Winslow在进行了大约8年的观察研究之后获得了电流变液体方面的第一个专利。不久就发现，像玉米淀粉散布在玉米油中那样简单的东西就能形成优质电流变液体。这种家庭食用品在经受1000伏／毫米的强电场作用时，展示出电流变效应。例如，将此种流体置于两块相距1毫米的金属板之间，再使电极充电达到1000伏，就可产生此种效应。1000伏电压似乎是很高，但消耗的功率实际上不大，因为这种流体是绝缘体，没有明显的电流流过。因此，金属板的充电迅速建立起高电压，就好像人的皮肤极易蓄积数千伏的静电一样。

Winslow取得专利的流体是一个很令人振奋的发现，而且电流变液体的前景也是很光明的。譬如，汽车工程师可以想象制造一种电流变离合器。这种离合器里的流体使汽车发动机同传动轴连接起来，给车轮提供动力。当流体形成固态时，就迫使传动轴转动；变成液态时，就使发动机脱离传动轴而自由旋转，好像处于空档一样。这样的离合器几乎不存在零件磨损或损坏的问题。而且它的反应时间仅千分之几秒，使纯机械离合器望尘莫及。人们还希望用电流变液体构成无阀液压系统，让流体固化来关闭流经细管段的液流。

以上想法虽然具有吸引力，但是电流变液体真正令人振奋的前景是利用粘度可不断变化的特点制成适应性强的器件。因为电流变液体的流速可以通过施加电场予以控制，所以一些新的构想(比如自适应减振器)已经引起汽车工业界以及磁悬浮列车支持者们的注意。(悬浮列车虽然行驶不接触轨道，但这种自适应减振器能缓冲急停和贸然起动所造成的影响。)

普通减振器系由内装活塞的油缸构成，活塞受压缩时通过一个小孔泵送粘稠性油。油自身缓慢而富有粘性的运动将冲击力吸收掉。然后，有一较大的孔使流体在回弹过程中能够迅速返回减振器。遗憾的是液油粘度对温度很敏感。油在冷天变稠，所以减振器就有点不灵活；此外由于油在反复压缩时将发热变稀，因此当行驶于漫长的崎岖道路上最需要减振的时候，减振器却几乎失去了减振能力。这种现象的一种补救办法就是采用一个机械系统，根据需要调节减振器孔口大小。

电流变液体制作的减振器的反应时间可达到毫秒级，而且也不需要机械调节。将这种流体注入活塞并配以电极和微处理机即可制成减振器。当活塞运动时，微处理机立即调节电极电压以改变流体的粘度。如此迅速的控制就有可能在冲程的中途提高流体稠度，以减缓道路不平所造成的颠簸。随后流体又变稀薄而迅速复原。因此，一种减振器就可适合各种车辆和工作环境。

但是现有的电流变液体还不能承受极其恶劣的工作条件，因为作为固体其硬度往往很不够，而要使其形成固态需要高电压，要是经常使用高电压就会使挥发性液态成份受热，最后沸腾逸去。针对这些问题，我们正在研究电场是如何造成固化的。理想的情况是我们将要得到的流体能在比现在所需要的为低的电压条件下变成坚硬的固体。

一段时间以来研究人员已经弄清楚，电流变效应的根源是所谓的电极化现象。比如，在两块带电金属板之间形成的电场里，微粒内带正电的质子被吸向一电极，而带负电的电子被吸向另一电极。其结果是微粒内部的正负电荷彼此向相反方向产生某种位移。这样一来，电场内的微粒就变成了电偶极子，其正负极类似磁铁的南北极。而这种效应的大小取决于该物质的电极化率。如果极化率高，那么就有大量电荷向着微粒的相反极作大距离的位移。如果极化率低，那么微粒对施加的电场几乎不起反应。

当流体含有许多极化微粒时，其相互的电作用就变得错综复杂。最简单的情况就是两个微粒在一个强电场内，各自的正极在上(为了讨论方便起见)，而负极在下。两微粒之间的电斥力或电吸力取决于相互接近的方式。如果—个微粒在另一个微粒的正下方朝上运动，那么第一个微粒带正电的上部就最接近第二个微粒带负电的下部，由于异性相吸，所以这两个微粒所受的是净吸引力。

如果第—个微粒设法与第二个微粒并排排列，如罗马数字Ⅱ中的两个字母那样，那么前一微粒带负电的下部最靠近后一微粒带负电的下部，而两者带正电的上部也是一样。因为同性相互排斥，所以两微粒所受的是净斥力。当然，如果两微粒是某个角度相互接近，那么吸力或斥力就小于上述极端情况。—般说来，如果连接两微粒的线与垂直线所成角度不超过55°，那么两微粒相吸；否则相斥。

即使开始时相斥，运动微粒也会趋于彼此围绕作圆周运动。其轨迹就像彗星一样随着吸力或斥力的作用而弯曲。同时，不论微粒的运动方向如何，其两极或上或下始终指向电极。这些力的联合作用使全部微粒形成相反极性紧聚在一起的构形(见图1)。此时吸力占了优势，使微粒吸合在一起，微粒首尾相连排列成行构成长链，就象一串珍珠。这种情况就如同铁屑在条形磁铁的磁场内沿磁力线作熟知的排列一样。电流变液体内的微粒链在容器内从一端延伸至另一端迅速形成。这种链就是流体固态是否形成的关键。

有些微粒悬浮于某种液体内易于形成链，而在另一种液体内就不行。研究人员正继续整理这方面的纷繁头绪。有一个潜在的麻烦是，微粒所浸入的液体的分子也能极化。如果液体的极化率和微粒的完全一样，那么液体的极化就掩盖了微粒的极化，也就不能形成微粒链。总的说来，电流变液体在微粒极化比液体分子极化容易得多时，工作情况最佳。

但是，微粒链仅是电流变液体内结构演变的中间阶段。单链缓缓迁移到邻近的平行链上，与之结合形成较粗的柱状体，进而再结合形成更粗的柱状体，如此等等。什么是最后的固态结构?最近的理论研究和实验观察已得到答案。

首先，对围绕大量微粒的复杂电场进行分析，可以发现一些与我们所期望的结构有关的线索。正如我们已经知道的，偶极子微粒并列时互相排斥，所以乍一看平行链构成柱状体似乎很神奇。为什么这种柱状体不会分解成构成它的微粒链呢?这是因为一个微粒受相邻链的吸引或排斥不仅取决于链中附近少数微粒的力，而且还取决于该链中许多远处微粒的力。柱状体集聚在—起是因为偶极子力是长程力，而且微粒受液体内所有其它偶极子合力的作用。

为了弄明白柱状体为什么集聚—起的道理，讨论一下在微粒链近旁的一“试验”微粒。这个试验微粒将受到链中最近微粒的排斥，就好像并列微粒相互排斥一样。然而它又将受到该链中上方及下方很远处的微粒的吸引，因为它处于该链上下方的大多数微粒所形成的55°吸引区之内。精确地说，试验微粒被拉到略高于链中某个微粒，而又略低于另一个微粒的位置。这样一来，如果把许多试验微粒置于微粒链附近，那么它们将被该链吸引并相互吸引，从而形成第二链，第三链等等。通过这种方式，微粒间的偶极子力促使链形成柱状体，而柱状体内相邻链的微粒作交错排列。

南伊利诺斯大学的陈天杰、Robert N Zitter和陶荣甲近来已证实这类结构的存在。在他们的试验中，使用了直径较大(40微米)的玻璃球悬浮于硅油中制成的电流变液体。施加电场后立即形成了微粒链，几分钟之内链又聚成其截面大致呈圆形(直径约6毫米)的柱状体。

为了判定在柱状体内的结构，上述研究人员利用了玻璃球体的聚焦性能，把柱状体当成一组能够透光的透镜。光线从—个玻璃球传至另一玻璃球，直到从柱状体射出为止。最后一层玻璃球形同一组光源，它产生重迭光点的图形(见图2所示)。通过对这个图形的分析，南伊利诺斯大学的研究人员得以推断出他们所得到的固化电流变液体的结构是一种常见的球体有序排列(三维晶格)，称为体心四方晶格结构，其中相邻链的微粒的确是作交错排列。

虽然各链之间的吸力大得足以构成这种晶格，但是根据南伊利诺斯大学研究人员的观察，要达到相当快(几分钟内)的聚集速度，这种力还太小。看来实际情况要比任何一种纯电场力分析复杂。

在试验中，柱状体的形成要比预期的快，是因为微粒链并非理想的链。微粒链不是完全直的有序的链至少有两个原因。第一，有时这些链不能横跨电极之间的整个距离：第二，这些链部分是由于微粒的布朗运动形成的。所谓布朗运动就是在1827年由苏格兰植物学家R．布朗首先发现的液体内悬浮微粒的不停顿的随机运动，其成因是微粒和大量液体分子之间的碰撞。在电流变液体内，悬浮微粒当受到液体分子从各个方向的冲撞时，就围绕其在链中的平均位置作不规则运动。因此，尽管微粒链总的说来可能是直线，但是在任一给定时间上却因受布朗运动的影响而发生弯曲。这种轻微变形增强了各链之间的吸引力，并促使各链聚集成柱状体。

为了更进一步认识柱状体的生成，本文作者和桑迪亚国家实验室的Judy Odinek一起，采用了另一种光学方法，它完全不同于南伊利诺斯大学的陈天杰、Zitter和陶荣甲所开发的方法。我们将激光束沿着与微粒链相垂直的方向射入并采用直径小得多(小于1毫米)的球体，而不是让光线穿过由较大的玻璃球体所构成的微粒链。从这类微粒构成的柱状体所散射出来的光线，可以反映出柱状体的宽度和间距等情况。一般说来，出来的光构成8字形图形。开始时8字形图形大而模糊，当柱状体变粗，相互间距离增大的时候，光线透过液体遇到的障碍减少，故散射减弱而8字形叶瓣变得小而亮。

上述大致规则使我们能解释在我们的试验中所看到的光的图形。当电场消失且试样中不存在微粒链或柱状体时，光线均匀散射。然而当加上电场时，从试样出来的光线开始汇聚成两个对瓣。随着时间的推移，在8字形的中心附近光线变得较亮。这就表明散射随着柱状体变粗和间距拉大而减弱。柱状体初期生长迅速，但几分钟后几乎停止生长，这是因为柱状体之间的吸力太小不足以继续生长。通过计算得知，固化流体在柱状体变粗时强度增大，故测量结果显示将电场维持数分钟会改进电流变液体的机械性能。

电流变液体终究要承受机械力。知道其静定结构是不够的，我们还必须了解当这种结构受到压缩或拉伸时它的性能。流变学是研究材料流动性能的科学，所以这些问题都是流变学所研究的范围。(几乎所有的材料——甚至固体——在足够高的压力下都会流动，尽管有时候材料的流动极微弱难以觉察。)

总的说来，很硬的材料流动很弱，而很软的材料稍有动静即可流动。对流体施加的应力或力是影响流体流速的各种原因之一。对于结构单一的液体(如水)，其流速与应力成正比；泵送得越用力，水流就越快。另一方面，流速又与液体的粘度或稠度成反比，例如，粘度大的液体(如象粘油)在一定应力条件下，与水相比就要流得慢。

然而，电场中的电流变液体的情况并不那么简单，其性能和名为宾汉塑性体的一类材料相似。在小于一定的应力极限时，宾汉塑性体根本不流动。超出这一极限时，流速与外加应力减去极限应力之差成正比地增长。我们中绝大多数人每天早晨都会碰到一种宾汉塑性体，那就是牙膏。这种流变学性质产生了“柱塞”流动，使我们能够将不动的软膏挤成均匀的圆柱状柱塞涂在牙刷上。像牙膏一样，电流变液体能抵住一定的应力，然而在施以更大的力时就开始流动。

当电极开始运动，譬如说一块极板向右而另一块极板向左的时候，电流变液体内往往产生应力，这叫剪切力。如果我们施加的力小，那么流体中的微粒链就会倾斜和拉伸但不断裂。然而当微粒链倾斜时，微粒之间的吸引力减弱，因为微粒链在电场内不再呈垂直排列，而是链中微粒移动并排成倾斜形，促使微粒形成并排排列。如果微粒链倾抖得太厉害，那么微粒就会滑出相互吸引的区域，于是微粒链断裂，而材料开始流动。发生破坏时的应力大小称之为屈服应力。

对于像电流变液体离合器这一类应用来说，使屈服应力尽可能地大是十分重要的。流体屈服应力大，则在开始流动和离合器打滑之前，可承受较大的转矩即转动力。提高流体承受应力的能力的一种方法就是施加较高的电压。微粒偶极子正负电荷之间的间隔的大小与所加电压成正比，而微粒之问的吸引力与这个电荷间隔的平方成正比。因此，屈服应力也与所加电压平方成正比。然而提高电压后，功率消耗也随之增大，电流变液体就发热，一旦过热就可能产生分解。因而在设计高强度电流变液体时，一个目标就是要尽量降低为获得规定的屈服应力所需的电压。

所需电压在很大程度上取决于微粒的极化率。几年前曾认为固化流体的强度不会随极化率大幅度增加。现在通过桑迪亚国家实验室的Douglas B．Adolf、Robert A．Anderson、Terry J．Garino和Bradley G. Hance对高度极化的陶瓷微粒所进行的研究，我们对此有了较好的了解。他们已揭示强度随极化的增强而大大提高。令人感到乐观的是能高度极化的微粒，将导致强度更大的电流变液体。

导电率也是一个因素。如果接通外加电场的时间超过百分之—秒左右，那么微粒和溶剂的导电率之差异就具有特别重要的意义。现在来讨论一下悬浮于弱导电液体中的非导电微粒的情况。电场一接通后，微粒立即极化，可是电荷也将流经液体并蓄积在已极化微粒表面上。此后不久，微粒之间的相互作用主要将取决于围绕液体内各微粒的电荷云，而不是取决于微粒自身固有的极化。微粒之间主要的力还是偶极子力，但是这种力的微观起因是不同的，屈服应力也不一样。

绝缘液体内的导电微粒则存在其它的问题。当导电微粒极化时，带负电荷的电子不仅在分子内移动，实际上还会穿越微粒在分子之间迁移，导致强极化和强吸引力。但是如果微粒相互接触，则微粒之间出现电荷流动。在这种情况下，有一个微粒将带有净正电荷，而另一个则带负电荷。这些微粒不会联结在一起，而是将朝极性相反的电极迁移，这是因为电极产生了比任何单一小微粒更强的拉力。这种现象在导电微粒悬浮液中已有发现，俗称“弹球”效应。导电微粒之间的电荷交换可通过在微粒上加薄薄一层绝缘层予以防止。绝缘层可使微

粒强极化，结果是使流体表现出很强的电流变效应。

高屈服应力不是电流变液体的唯一有用的性质。在某些应用中，流体应在低应力下屈服(如牙膏那样)，但随着应力增强而继续抵制运动。为了控制这种流体的不同稠度，我们还需要了解有关电流变液体在达到屈服应力开始流动以后的行为。所以我们和其它几个研究小组正在研究流体经受应力时究竟演变成什么样的结构。我们正在试验这种结构如何阻止其悬浮流体的流动以及这种流动又如何破坏和削弱固态结构从而保持本身的流动的。

到目前为止还没有一个完整的理论。—个研究小组根据对玉米淀粉流体的观察，提出了电流变流动的模型。我们这个研究小组采用了另一些流体作试验，对于其粘稠性及阻滞性的流动提出了不同的解释。

威斯康星大学的Daniel J, Klingenberg 和伊利诺斯大学的Charles F．Zukoski研究了玉米淀粉电流变液体在大于屈服应力条件下的流动情况，发现电极剪切作用产生了两种结构。在极板附近形成微粒的倾斜柱状体，而在极板间的中心区域则形成“滑移带”，这里的微粒链断裂，流体运动自如。当剪切速率提高时，滑移带的宽度增大并且使粘附在极板上的倾斜柱状体相对运动变得容易。

与Adolf一起，我们提出了有关剪切在电流变液体中如何起作用的另一种看法。柱状体在电极上的粘附情况不起主要作用。如果柱状体自由漂移，那么微粒之间的吸引力就使柱状体在与电极相垂直的方向上排列起来。而流动的流体则试图让其转动，使之与电极和液流方向平行。这种液流所产生的力称为粘性力。在柱状体倾斜成某一角度时，使微粒链转到与液流平行的力，将与仍要保持其垂直的电场力达到平衡。我们预期，当流体屈服于剪切应力并开始流动时，整个液体中将出现这种倾斜柱状体。

我们还预料柱状体或微粒链在剪切速率增大时将缩短。因为长链比短链的表面积大，所以粘性力对长链作用强。实际上，粘性力大会使很长的链转动到超越微粒相互吸引的角度。因此，当微粒开始相互排斥时微粒链断裂。这种现象就确定了在一定的电场内及一定的剪切速率下会出现的链的长度的上限。然而，这种较短的微粒链将明显提高液流的粘度，就好像通过塞满松针的管道抽水一样。事实是水流要通过极细的缝隙冲开自己的路，增大了获得一定流速所需要的力，于是水和松针一起就具有较高的粘度，正如电流变液体超过屈服应力后具有较高的粘度一样。

许多电流变液体的行为或许能够采用Klinggenberg模型和我们的理论共同作出解释。在电极附近将形成类似于固化电流变晶格的静止状态的相对平静区。而在中间区域，这种结构将断裂成较短的倾斜微粒链。

今天的电流变液体已不再是四十年代时的极其简单的混合体。除了悬浮液和微粒以外，往往还含有活化剂和分散剂。分散剂防止微粒在无电场时相互粘合。要是没有分散剂，即使在电场为零时，微粒有时也会结成团或者甚至不能分散，这种流体变化无常，毫无用处。活化剂(往往使用水，有时用酒精)含杂质，通常是溶解盐。活化剂的作用机制还不完全清楚，但一般都认为水受油质悬浮液排斥而聚集在微粒表面，于是溶解盐在电场极化，其电荷增强了微粒的固有极化。

这类标准配方除了结构不强以外，还存在两个普遍的问题。第一，因为随着微粒尺寸变大电流变效应的强度也增大，所以直径远超过一毫微米的大微粒最为理想。可是大微粒都有沉在流体底部的趋向。(同时，含大微粒的流体比小微粒流体磨蚀性强。)第二，水之类的活化剂易蒸发或者易与其它成份产生化学反应，造成寿命短的缺陷，尤其是在高温条件下。

Winslow所开发的第一代电流变液体需要潮湿的空气使其保持湿润且含有粗糙硅粒。大约10年前，James E．Stangroom和英国克兰菲尔德工学院的研究小组开发出采用聚合物微粒且磨蚀性小的第二代电流变液体，但仍含有水。下一阶段目前正在进行中，目标是创造含高度极化的细小微粒的第三代无水电流变液体。

与此同时，自四十年代以来采用电流变液体装置的机械已发生了变化。汽车工业仍然重视毫秒级响应时间的自适应材料，但是五十年前尚不存在的另一种工业对此也很感兴趣。今天简易的机器人从事着工业中的许多工作。如果当今半导体技术的革命导致几代科学幻想小说家梦寐以求的机器人革命，那么使快速微处理机与同样迅速的机械控制相结合的自适应材料将是关键。非常灵巧的、完全可以完成人们日常所做的事(譬如说接棒球)的机器人，需要有一个利用电流变液体迅速反应的优点的液压系统。

我们不需要机器人代替运动员，但是，设想一下比如有一台计算机控制装置能挤压出连接集成电路的精细金属丝。当将这种细丝绕在线轴上时，机器人必须严格控制松紧度：要是机器不能迅速觉察松紧度的轻微变化并作出反应，那么细丝可能松弛或是绷断。这种配有迅速反应的电流变液体离合器的装置已有样机做过试验。其它可能很快随之而来的将是实际上装有超人“关节”的机械，它们能够非常精确地在一瞬间锁紧或松开。当然这种机械并不是“T-1000型终结者”的对手，但却是技术市场上的强有力的竞争者。