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  在時間的長河中，萬物皆流。通常，滿足牛頓流動定律的液體稱為牛頓流體，如水、酒精等。但實際我們生活中隨處可見的是非牛頓流體，例如剪切變稀流體（黏度隨著剪切速率增加而隨之降低），最常見的如樹汁、紙漿、血液、油漆以及多糖溶液等。除此之外，另一類比較罕見的非牛頓流體則是剪切增稠液（黏度隨著剪切速率增加而反常變大），這類流體通常以顆粒懸浮液為主，例如淀粉糊、納米纖維素濃溶液以及聚氯乙烯塑料溶膠等。相對于剪切變稀流體，剪切增稠液能夠在外力作用下發生液固轉變而緩沖外部能量，故多被用于軍工防彈衣、坦克鎧甲、阻尼減速器以及運動緩沖材料等。廣義而言，萬物皆變；但在有限的時間尺度上，流體在外力場下的流變特性一直涇渭分明，很難相互轉變。如何將這兩種截然不同的非牛頓特性在有限且可觀察到的尺度上隨時間自發互變，一直是困擾科學家們的一個難題。

圖1 非平衡態非牛頓流體機理示意圖以及分子結構式

  北京林業大學彭鋒教授團隊多年來一直致力于木質纖維生物質組分分離及利用，在前期通過大量對淀粉糊、紙漿以及納米纖維素濃溶液流變特性研究的基礎上，他們近期與中國科學技術大學楊海洋課題組合作，開發出一類新型非平衡態非牛頓流體材料。雖然納米生物基懸浮液常用于制備剪切增稠液，但是存在修飾難、透明度差以及易相分離等問題。為此，他們采用疏水締合聚合物來代替納米基懸浮液，并控制聚合物分子量以及疏水改性取代度，實現高剪切速率誘導下的疏水聚電解質分子間交聯，達到剪切增稠的目的。同時，利用耗散熱力學（dissipation-control）而非經典熱力學原理（thermal equilibrium-control），通過尿素-脲酶反應控制體系pH變化，進一步誘導聚合物線團構象隨時間變化，實現了非牛頓流體能夠自發在剪切變稀與剪切增稠兩種截然不同現象之間轉換（圖1）。

圖2 非平衡態非牛頓流體震蕩行為以及流變隨時間特征

  由于采用耗散熱力學機理，聚合物非牛頓流體內部組裝結構及宏觀性質隨時間變化，而非表現為通常熱力學平衡態刺激響應。具體來看，體系必須依托外界能量的持續輸入才能表現出剪切增稠的性能，一旦失去能量供給或能量消耗，體系又立即表現出剪切變稀的行為。如圖2所示，隨著時間的推移，我們可以觀察到震蕩變稀以及震蕩成膠兩種截然不同的流體特征。如果進一步控制尿素緩沖液（化學能）的使用濃度，則可以有效控制剪切場（物理能量）下的非線性力學性能短暫存在的時間。

  本文以“Biocatalytic Feedback‐Controlled Non‐Newtonian Fluids“在線發表于國際化學領域最具影響力的綜合性刊物之一，《Angewandte Chemie International Edition》(德國應用化學國際版，IF=12.257)，本文第一作者為北京林業大學材料學院青年教師郝翔，第一通訊作者為其合作導師北京林業大學材料學院彭鋒教授，北京林業大學材料學院林木生物質化學北京市重點實驗室為第一單位。

  該工作得到北京林業大學中央高校基本科研業務費專項資金和國家自然科學基金面上項目資助。

  文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201914398