image: The top panel is a series of scanning electron micrographs for particles ranging from smooth to rough. The bottom panel is a series of atomic force micrographs showing the 3D topography of these particles, again ranging from smooth to rough, to demonstrate the extensive characterization of their surfaces. view more
Credit: Lilian Hsiao
来自北卡罗来纳州立大学、麻省理工学院以及密西根大学的一项新的研究显示，微米颗粒的粗糙表面在其液体悬浮液中会互相碰撞摩擦从而导致液体粘度的增大或者减小。这项发现会帮助生物制药以及化工领域的企业发现其生产中的一系列问题。
北卡罗来纳州立大学化工系的教授，同时也是这项研究的第一作者，Lilian Hsiao说：�我们总是听到企业说起在抽吸颗粒悬浮液时遇到的问题，这引起了我们的好奇心。我们很惊讶目前为止暂时还没有针对颗粒表面粗糙度的系统性研究， 因为这类悬浮颗粒的流体在工业中的应用非常广泛。颗粒表面粗糙度实际上是影响其悬浮液流动的一个非常重要的因素。�
在经过实验以及计算机仿真模拟之后，研究人员发现颗粒之间的摩擦是导致悬浮液流速变缓的原因。当液体中的颗粒数量增大到一定程度之后，颗粒间的碰撞会导致摩擦急剧的增大。同时颗粒的表面越粗糙，其碰撞时产生的摩擦也就越大。
Lilian Hsiao还说到：�因为颗粒间的相互作用会消耗掉很大的能量，所以当抽吸颗粒悬浮液时一定量的能量提供是必须的。能量的消耗会减缓流速。在颗粒的粗糙程度非常大的情况下，流体的流动甚至会完全停止。�光滑颗粒与粗糙颗粒在悬浮液中的不同特性可以通过以下的视频来展示：https://www.youtube.com/watch?v=oXRl2IdwdhY.
这项发现给了在该领域的工业界几种改进生产的方式：其一是通过减小颗粒表面粗糙度从而减少摩擦，其二是增加抽吸泵的功率以给悬浮液更多的能量。
但是研究人员同时发现，体系中能量的增加会导致粗糙颗粒悬浮液的膨胀。其原因是颗粒在能量增加后会剧烈的运动而粗糙颗粒在剧烈运动中会比光滑颗粒占据更多的空间。如果体系膨胀程度很大，那么会极大地增加液体中的剪切应力从而导致流体严重的阻塞。
�这是悬浮液流体力学中的一项很基础的发现。但是这项发现应该可以帮助在该领域的科学家以及工程师找到生产中存在的问题与挑战。�Hsiao说到。
�我们现在正在探索如何把颗粒间的摩擦应用于我们想研究的领域。�Hsiao说到。
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题目名为�Rheological state diagrams for rough colloids in shear flow�的论文已经发表于Physical Review Letters上。这篇论文的其他共同作者分别是来自麻省理工学院的Safa Jamali，以及来自密西根大学的Emmanouil Glynos、Peter Green、Ronald Larson和Michael Solomon。
这项研究由National Science Foundation以及U.S. Army Research Office支持。其中NSF的课题编号为1232937，U.S. Army Research Office的课题编号为W911NF10-1-0518。
Journal
Physical Review Letters