有谁知道 P4U 材料是什么东西？跟英国的 D3O 有什么关系吗？

先来说说D3O材料，这个材料已经有了很大的知名度。

近几年来，在国外材料市场上产生了一个新贵：D3O材料，亮瞎了人们的眼球，它是一种特殊的高分子材料，D3O LAB 称其为智能材料（Smart Material），它摸起来很软，但是却在外力的作用下又变得很硬，能起到优越的防护性能，在运动保护、碰撞防护领域展现出了极大的应用前景。

这种材料，捏起来软软的，看起来就像是橡皮泥，似乎也没什么特别。

但是！软材料却能展现出极其“硬气”的一面，用它包覆鸡蛋，鸡蛋用锤子都砸不坏。

这就是D3O的新型材料，这几年在运动保护市场大放异彩。目前已经有许多国外产品用到了D3O，从手机壳到运动护具 、再到芭蕾舞鞋。虽然名字听起来不知道是什么东西，但是它的功能还是非常接地气的：防撞击、吸能减震。

与钢铁等高强度材料不同，D3O在常规状态下是柔软的，却能防住突然的受力撞击。

D3O为英国D3O LAB推出来的产品。颜色为鲜艳的亮橙色。 它被用于一系列的碰撞保护措施，从摩托车运动、冬季运动服乃至应用于战场。 D3O材料的主要应用于在运动服装护具，如滑雪服、摩托车服、自行车骑行服、冰雪运动服等，以及警用、军用防护装备等。

原始状态的D3O非常容易产生形变，但如果迅速对它施加外力，它会突然变硬，并立即吸收外界能量。 图片来源：百度百科D3O

回到P4U。从公开的资料（该公司门户网站：http://www.i-p4u.com）可以得知，P4U取名于“Protection For You”，为你保护的意思，侧重于各种冲击防护：防撞、防摔、减震、吸能、缓冲。颜色为红色。

官网上指P4U材料也是一种智能材料，拥有国家发明专利，受国家知识产权保护，这是我国科学家自主研发的新型材料，发明者为西安理工大学材料科学与工程学院副教授、前南非MINTEK国家研究院高级科学家、博士后李峰博士。

P4U智能材料是一种可对环境感知、响应，并且具有发现能力的材料，它是通过分子设计和有机合成的方法使有机材料本身具有生物所赋予的高级功能：如自修复与自增殖能力、认识与鉴别能力、刺激响应与环境应变能力等。P4U 智能材料为非牛顿流体物质，在常态下保持松弛的状态，柔软而具有弹性，一旦遭到剧烈碰撞或冲击的时候，分子间立刻相互锁定，迅速收紧变硬从而消化外力，形成一层防护层，当外力消失后，材料会回复到它最初的松弛软弹状态。它可以在瞬间对不同的冲击情况作出不同的反应。 （引自虎扑：苏尔智能P4U材料：中国人的D3O来了）

其特点与D3O是完全一样的。而这家新材料公司所展现出来的性能比D3O更加多样（似乎不只一种材料，

），十米摔下来的鸡蛋完好无损，弓箭射不穿的布，好NB的样子。

还有下面这个，裹住鸡蛋砸墙砸地也没见坏。

（又是鸡蛋，感觉被玩坏了，心疼鸡蛋一秒钟。）

既然D3O和P4U都声称自己为智能材料，我们有必要了解一下什么是“智能材料”，这个就是本人目前研究的学科了。

智能材料是一种可对环境感知、响应，并且具有发现能力的材料，它是通过分子设计和有机合成的方法使有机材料本身具有生物所赋予的高级功能：如自修复与自增殖能力、认识与鉴别能力、刺激响应与环境应变能力等。简单地说，材料好像是有知觉一样，不同的情形表现出来不同的样子。就像人的肌肉，不使力的时候柔柔弱弱的，但是如果忽然有人一拳打到你的身上，就算你再不注意，也会自然反应地通过肌肉变硬来抵抗外力。D3O和P4U，或者说这一类智能材料都有这么一个特点：遇柔则柔，遇刚则刚；吃软不吃硬。

它们为什么“吃软不吃硬”？

那么，它为什么会有这样的性质呢？原因总结起来就一句话：这种材料是一种特殊的流体——非牛顿流体。

牛顿流体与非牛顿流体

在介绍非牛顿流体前，我们先好好了解下牛顿流体。牛顿除了发现伟大的力学三大定律外，还发现：多数流体的粘度仅受温度的影响。什么是粘度？粘度是描述流体流动阻力的量，粘度高的物质不容易发生移动，粘度低的物质则容易移动，举个栗子：水（粘度低）比蜂蜜（粘度高）更容易移动，耗时也更短。好了，接着说粘度和温度的关系，牛顿发现有些物质加热后，就变得没那么粘了，而一旦温度降低它可能就会变得非常粘稠。再举个栗子：冬天早上发动汽车的时候，发动机上的油又厚又粘，所以很难打着火，但是一旦发动机变热了，上面的油就没那么粘了。常见的流体比如水和油，不管它们流过的管道速度有多快，粘度一直保持恒定，温度是影响它们粘度的唯一因素，这种流体称为牛顿流体。但是有些流体的粘度除温度外还受到其他因素的影响，这些流体称为非牛顿流体。非牛顿流体的粘度会随着搅拌或者压力（剪切应力）的改变而改变。而牛顿流体的粘度则不受剪切应力的影响。

很多聚合物的溶液或者熔体都是非牛顿流体。聚合物是由一种或几种结构单元重复并最终串联起来的分子量很高的化合物。常见的人工合成聚合物有塑料、橡胶、人造纤维等，天然聚合物包括DNA、蛋白质、淀粉等。

粘有D3O材料的鸡蛋依旧完整，粘有普通橡皮泥材料的鸡蛋则破碎(又是鸡蛋)

剪切稀化流体

仔细想想你倒番茄酱的场景，是不是每次都摇晃瓶子或者敲下瓶子底，让它流出来。这个动作就是在对番茄酱施加剪切应力，让它变得不那么粘。所以当晃动或搅拌后粘性变小的流体，就称为剪切稀化流体。同样属于剪切稀化流体的还有剃须膏，油漆等等。如果你在两手之间揉搓剃须膏的话，它会变薄并且容易流动，因粘度降低了。

我们常在电影中看到流沙也属于剪切稀化流体。如果被困在流沙中，你越挣扎，沉没的速度就越快。你用的所有力都会降低流沙的粘度，从而加速流沙的移动。难道就没有什么自救的方法了么？不用担心，流沙很少能没到人头部，因为它的密度是人体密度的两倍，只要放轻松，就会自动浮上来（无从考据，莫要以身犯险）。

图片来源：网剧《鬼吹灯之精绝古城》

剪切增稠流体

另一种流体对剪切力的响应结果则是反的。如施加剪切力，那么该流体会变得更粘稠，这种流体称为剪切增稠流体。玉米淀粉和水的混合物，以及湿水的沙子就属于这一范畴，当你用力迅速挤压它的时候，它会变得异常坚硬，成凝固状态。如果你有一泳池的玉米淀粉和水的混合物，你甚至可以在上面奔跑。

（央视一个科普节目中曾经介绍到这种剪切增稠流体，人可以在上面奔跑通过，不动就会沉下去）

之前讲到的D3O和P4U材料，就是一种剪切增稠流体，它是由油性液体润滑剂和悬浮在其中的聚合物混合而成。当作用力缓慢施加到剪切增稠流体时，聚合物链有时间移动并重新排列，因此粘度不受影响。但如果快速施加作用力时，聚合物链没有时间重排，同时会纠缠在一起，粘度大大增加。这就好比一个春运时的火车站，如果每个人都往检票口挤，就会发生拥堵，但如果用长围栏隔开，每个人都有秩序的排队往前走，那么大家最终都能有序离开。

剪切稀化流体和剪切增稠流体在受力后除了粘性变化相反外，还有一点就是剪切稀化流体需要长时间的作用力才能降低粘性，而剪切稠化流体则是突然应力，使其变硬。

剪切稀化流体（左）：施加的剪切力破坏了聚合物间的氢键（或其它二级结构），聚合物更容易流过。 去除应力时，聚合物链之间的氢键再次形成。剪切增稠流体（右）：施加剪切力可导致聚合物的无规卷曲解开并且彼此缠结，提高粘度。 去除应力时，聚合物恢复到无规线团状态。图片来源：RS GRAPHX, INC.

大显身手的智能材料

作为运动保护材料：

由于此类智能材料作为一种剪切增稠流体，能在受到冲击时提供保护，比如可以作为护膝和护肘。在正常状态下，材料呈现流体性质，容易流动，因此佩戴简单，佩戴者的活动也不会受到影响。但一旦摔倒，滑板、膝盖撞到地面，材料会立即“变硬”，与传统护膝相比，在提供更大程度保护的同时，又不会影响佩戴者的运动体验，甚至让运动员无受伤的后顾之忧，从而提高运动成绩。

含有智能材料的护膝 图片来源：网络

谁需要使用它们？

• 对运动保护的意识及需求提升，寻求可靠、轻便、灵活、先进保护的运动人群。
• 专业运动员
• 面临职业危险的人群 (如军人、警务执法人员和产业工人）
• 老人、儿童等特殊人群（防摔）
• 马拉松等运动发烧友（吸能减震，保护跑步震动带来的膝盖、脚跟、脚踵伤害）
• 精密贵重设备保护（手机套太大材小用了吧）
• 汽车防撞、新能源电池保护、公路桥梁速度锁定器、阻尼器等

作为军事防护材料：

利用剪切增稠液的剪切增稠特性，可以用来研制液体防弹衣等新一代身体防护设备。剪切增稠液在提供更高的抗冲击强度的同时，降低了防护设备的重量和硬度。

新材料的应用给未来带来更多可能，期待智能材料，特别是我们国产的P4U在不久的将来给我们带来更多神奇和惊喜。

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