一个国际物理学家团队最近发表的研究揭示了刚性微细丝的三维形状如何决定它们悬浮在水中时的动力学，以及如何控制这种形状来设计类似固体的行为，即使悬浮更长时间超过99%的水。

这篇名为“粘合的直和螺旋鞭毛细丝形成超低密度玻璃”的论文由乔治敦大学物理学教授彼得·奥姆斯特德和杰弗里·乌尔巴赫以及研究生马修·萨尔图奇合着。它已发表在美国国家科学院院刊(PNAS)上。

Urbach说：“这项工作表明，我们可以利用粒子形状来制造一种材料，形成极低密度的玻璃。”“我们设计了细长丝，其几何形状会产生令人沮丧的、完全堵塞的固体，即使细丝之间没有化学连接，而且它们只占空间的很小一部分”

该研究利用了细菌鞭毛的显着特性——生物体用于推进的微观“尾巴”。对于大多数细菌来说，鞭毛是刚性的螺旋丝，细菌旋转它产生推进力，有点像一艘非常非常小的船的螺旋桨。

有一些突变菌株可以长出直鞭毛，而不是螺旋鞭毛，并且通过使用新的合成技术，由ZvonimirDogic教授领导的加州大学圣巴巴拉分校的研究小组能够生成嵌合丝，由一段直鞭毛与螺旋鞭毛融合。其他团队成员包括博士。乔治敦大学和布兰代斯大学的学生，以及法国里昂国家科学研究中心(CNRS)的研究科学家。

当悬浮在水中时，这些微小的细丝表现出布朗运动，植物学家罗伯特布朗在1827年在显微镜下观察花粉粒时描述了位置的随机波动，并在1905年由阿尔伯特爱因斯坦定量解释，提供了第一个被广泛接受的证明原子和分子的存在。PNAS研究调查了将一束细丝添加到悬浮液中时可能发生的巨大变化。

直的细丝可以沿着它们的长度自由扩散，因此即使它们被邻居部分地关在笼子里也能保持移动。螺旋丝也可以沿着它们的长度扩散，但只能通过“开瓶器”来逃离它们的笼子。相比之下，对于嵌合丝，直尾抑制了开瓶器，结果丝完全卡住了，即使丝只占悬浮体积的一小部分。

该小组研究了这种笼罩如何影响悬架的机械性能，特别是他们对材料的刚度进行了精确测量。他们表明，直的和螺旋的长丝悬浮液表现得像粘性液体，而嵌合长丝产生玻璃状固体，尽管非常柔软。

这项工作表明，形状可以用来控制动力学和力学，利用自组装天然材料的显着特性。新兴技术将使研究人员能够从合成材料中制造出相似的形状，为设计具有新特性的自适应材料提供强大的途径。

“形状对力学的巨大影响可能与另一个主题领域相吻合，即动态改变形状的超材料，”奥姆斯特德说。“在未来，人们可以设计类似物体的材料，这些物体可以通过化学、光学或电触发器在流体和固体(玻璃)之间切换，用于机器人、保护装置和设备以及(重组)结构织物等应用。”