毛细力驱动的棒状颗粒网络取向调控及其流变性能研究

本研究针对各向异性棒状颗粒在毛细悬浮体系中形成的复杂网络结构及其独特取向模式，通过共聚焦显微镜和流变-共聚焦联用技术，揭示了次级液体体积分数对颗粒接触构型（点对点→侧对侧）和簇团拓扑参数（配位数、聚类系数）的调控规律。研究发现棒状网络比球形体系具有更高的形变敏感性和粘塑性脆性，为设计机械性能可精确调控的功能材料提供了新思路。

　　

在材料科学领域，如何通过微观结构设计实现宏观力学性能的精确调控一直是核心挑战。传统球形颗粒体系因其各向同性特征，难以满足高性能材料对方向性功能的特殊需求。而棒状（rod）、纤维状等各向异性颗粒虽能通过取向排列赋予材料独特性能，但其在复杂流体中的自组装行为受多种因素（如流体动力、热运动、粒子间作用力）影响，尤其在高浓度体系中易形成难以预测的随机网络结构。更棘手的是，现有研究多聚焦于球形颗粒毛细悬浮液（capillary suspension），对棒状颗粒在该体系中的取向演化规律及其与流变性能的关联认知严重不足。

针对这一科学瓶颈，欧洲研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表重要成果。研究者创新性地将长径比为4±1的玻璃微棒（glass microrods）分散于肉桂巴油/1,2-环己烷混合体系中，通过精确调控次级液体体积分数，结合共聚焦显微镜（confocal microscopy）原位观测和流变测试（rheometry），首次系统揭示了毛细力主导下棒状颗粒网络的取向重构机制。研究发现，随着次级液体含量增加，颗粒接触模式从点对点（point-to-point）逐步转变为侧对侧（side-to-side）排列，同时网络拓扑参数呈现非单调变化——聚类系数（clustering coefficient）随配位数（coordination number）增加而降低，这与球形体系形成鲜明对比。更值得注意的是，具有更高侧对侧接触概率的样品表现出显著增强的粘塑性脆性（viscoplastic fragility），这一发现为开发应力响应型智能材料提供了全新设计维度。

关键技术方法包括：1）荧光标记玻璃微棒（RBITC染色）与双相溶剂体系构建；2）流变-共聚焦联用技术（rheoconfocal）实现微观结构与宏观流变同步监测；3）三维图像分析量化配位数、聚类系数等拓扑参数；4）振荡剪切实验表征屈服应力与网络稳定性。

【Microstructure】部分显示，低次级液体含量时颗粒呈沉积态随机分布（图2a），而高含量时形成空间网络（图2d）。共聚焦断层扫描证实，毛细力促使颗粒从平行基底取向（低含量）转变为三维各向异性排列（高含量），这种取向重构直接关联流变行为变化。

【Conclusion】部分总结：毛细力显著降低棒状网络的屈服应力起始体积分数。次级液体增加引发接触构型转变，伴随聚类系数异常降低，表明形成超越简单侧对侧排列的复杂簇团构型。这种特殊结构使棒状网络对剪切更敏感，其粘塑性脆性与侧对侧接触概率正相关。

该研究的重要意义在于：1）建立棒状颗粒毛细悬浮液的"结构-性能"定量关系，填补非球形体系理论空白；2）发现拓扑参数的反常变化规律，为复杂胶体网络建模提供新依据；3）提出的取向调控策略可拓展至其他各向异性颗粒体系，助力开发具有定制化力学响应的功能材料，如3D打印墨水、智能减震材料等。研究获得欧盟"地平线2020"计划（No 955612）和国际细颗粒研究所（IFPRI）支持，体现其重要学术价值与应用前景。