有誰知道 P4U 材料是什麼東西？跟英國的 D3O 有什麼關係嗎？

最早在去年的高交會上看到這種材料，據展會負責人介紹這叫P4U材料（蘇爾智能P4U新材料：一個守護安全的變形金剛_網易新聞）。當時就覺得非常神奇。巧的是今年的上海勞保會上又見到這種材料。

上網搜了一下，在網上找到了一些有關這種材料的視頻，先讓大家看看它的神奇之處（中國版D3O——P4U實驗集錦—在線播放—優酷網，視頻高清在線觀看視頻 ）。有知乎大咖了解這是什麼原理嗎？

先來說說D3O材料，這個材料已經有了很大的知名度。

近幾年來，在國外材料市場上產生了一個新貴：D3O材料，亮瞎了人們的眼球，它是一種特殊的高分子材料，D3O LAB 稱其為智能材料（Smart Material），它摸起來很軟，但是卻在外力的作用下又變得很硬，能起到優越的防護性能，在運動保護、碰撞防護領域展現出了極大的應用前景。

這種材料，捏起來軟軟的，看起來就像是橡皮泥，似乎也沒什麼特別。

但是！軟材料卻能展現出極其「硬氣」的一面，用它包覆雞蛋，雞蛋用鎚子都砸不壞。

這就是D3O的新型材料，這幾年在運動保護市場大放異彩。目前已經有許多國外產品用到了D3O，從手機殼到運動護具 、再到芭蕾舞鞋。雖然名字聽起來不知道是什麼東西，但是它的功能還是非常接地氣的：防撞擊、吸能減震。

與鋼鐵等高強度材料不同，D3O在常規狀態下是柔軟的，卻能防住突然的受力撞擊。

D3O為英國D3O LAB推出來的產品。顏色為鮮艷的亮橙色。 它被用於一系列的碰撞保護措施，從摩托車運動、冬季運動服乃至應用於戰場。 D3O材料的主要應用於在運動服裝護具，如滑雪服、摩托車服、自行車騎行服、冰雪運動服等，以及警用、軍用防護裝備等。

原始狀態的D3O非常容易產生形變，但如果迅速對它施加外力，它會突然變硬，並立即吸收外界能量。 圖片來源：百度百科D3O

回到P4U。從公開的資料（該公司門戶網站：http://www.i-p4u.com）可以得知，P4U取名於「Protection For You」，為你保護的意思，側重於各種衝擊防護：防撞、防摔、減震、吸能、緩衝。顏色為紅色。

官網上指P4U材料也是一種智能材料，擁有國家發明專利，受國家知識產權保護，這是我國科學家自主研發的新型材料，發明者為西安理工大學材料科學與工程學院副教授、前南非MINTEK國家研究院高級科學家、博士後李峰博士。

P4U智能材料是一種可對環境感知、響應，並且具有發現能力的材料，它是通過分子設計和有機合成的方法使有機材料本身具有生物所賦予的高級功能：如自修復與自增殖能力、認識與鑒別能力、刺激響應與環境應變能力等。P4U 智能材料為非牛頓流體物質，在常態下保持鬆弛的狀態，柔軟而具有彈性，一旦遭到劇烈碰撞或衝擊的時候，分子間立刻相互鎖定，迅速收緊變硬從而消化外力，形成一層防護層，當外力消失後，材料會回復到它最初的鬆弛軟彈狀態。它可以在瞬間對不同的衝擊情況作出不同的反應。 （引自虎撲：蘇爾智能P4U材料：中國人的D3O來了）

其特點與D3O是完全一樣的。而這家新材料公司所展現出來的性能比D3O更加多樣（似乎不只一種材料，

），十米摔下來的雞蛋完好無損，弓箭射不穿的布，好NB的樣子。

還有下面這個，裹住雞蛋砸牆砸地也沒見壞。

歡迎P4U客戶前來親自體驗材料性能！_騰訊視頻v.qq.com視頻

（又是雞蛋，感覺被玩壞了，心疼雞蛋一秒鐘。）

既然D3O和P4U都聲稱自己為智能材料，我們有必要了解一下什麼是「智能材料」，這個就是本人目前研究的學科了。

智能材料是一種可對環境感知、響應，並且具有發現能力的材料，它是通過分子設計和有機合成的方法使有機材料本身具有生物所賦予的高級功能：如自修復與自增殖能力、認識與鑒別能力、刺激響應與環境應變能力等。簡單地說，材料好像是有知覺一樣，不同的情形表現出來不同的樣子。就像人的肌肉，不使力的時候柔柔弱弱的，但是如果忽然有人一拳打到你的身上，就算你再不注意，也會自然反應地通過肌肉變硬來抵抗外力。D3O和P4U，或者說這一類智能材料都有這麼一個特點：遇柔則柔，遇剛則剛；吃軟不吃硬。

它們為什麼「吃軟不吃硬」？

那麼，它為什麼會有這樣的性質呢？原因總結起來就一句話：這種材料是一種特殊的流體——非牛頓流體。

牛頓流體與非牛頓流體

在介紹非牛頓流體前，我們先好好了解下牛頓流體。牛頓除了發現偉大的力學三大定律外，還發現：多數流體的粘度僅受溫度的影響。什麼是粘度？粘度是描述流體流動阻力的量，粘度高的物質不容易發生移動，粘度低的物質則容易移動，舉個栗子：水（粘度低）比蜂蜜（粘度高）更容易移動，耗時也更短。好了，接著說粘度和溫度的關係，牛頓發現有些物質加熱後，就變得沒那麼粘了，而一旦溫度降低它可能就會變得非常粘稠。再舉個栗子：冬天早上發動汽車的時候，發動機上的油又厚又粘，所以很難打著火，但是一旦發動機變熱了，上面的油就沒那麼粘了。常見的流體比如水和油，不管它們流過的管道速度有多快，粘度一直保持恆定，溫度是影響它們粘度的唯一因素，這種流體稱為牛頓流體。但是有些流體的粘度除溫度外還受到其他因素的影響，這些流體稱為非牛頓流體。非牛頓流體的粘度會隨著攪拌或者壓力（剪切應力）的改變而改變。而牛頓流體的粘度則不受剪切應力的影響。

很多聚合物的溶液或者熔體都是非牛頓流體。聚合物是由一種或幾種結構單元重複並最終串聯起來的分子量很高的化合物。常見的人工合成聚合物有塑料、橡膠、人造纖維等，天然聚合物包括DNA、蛋白質、澱粉等。

粘有D3O材料的雞蛋依舊完整，粘有普通橡皮泥材料的雞蛋則破碎(又是雞蛋)

剪切稀化流體

仔細想想你倒番茄醬的場景，是不是每次都搖晃瓶子或者敲下瓶子底，讓它流出來。這個動作就是在對番茄醬施加剪切應力，讓它變得不那麼粘。所以當晃動或攪拌後粘性變小的流體，就稱為剪切稀化流體。同樣屬於剪切稀化流體的還有剃鬚膏，油漆等等。如果你在兩手之間揉搓剃鬚膏的話，它會變薄並且容易流動，因粘度降低了。

我們常在電影中看到流沙也屬於剪切稀化流體。如果被困在流沙中，你越掙扎，沉沒的速度就越快。你用的所有力都會降低流沙的粘度，從而加速流沙的移動。難道就沒有什麼自救的方法了么？不用擔心，流沙很少能沒到人頭部，因為它的密度是人體密度的兩倍，只要放輕鬆，就會自動浮上來（無從考據，莫要以身犯險）。

圖片來源：網劇《鬼吹燈之精絕古城》

剪切增稠流體

另一種流體對剪切力的響應結果則是反的。如施加剪切力，那麼該流體會變得更粘稠，這種流體稱為剪切增稠流體。玉米澱粉和水的混合物，以及濕水的沙子就屬於這一範疇，當你用力迅速擠壓它的時候，它會變得異常堅硬，成凝固狀態。如果你有一泳池的玉米澱粉和水的混合物，你甚至可以在上面奔跑。

（央視一個科普節目中曾經介紹到這種剪切增稠流體，人可以在上面奔跑通過，不動就會沉下去）

之前講到的D3O和P4U材料，就是一種剪切增稠流體，它是由油性液體潤滑劑和懸浮在其中的聚合物混合而成。當作用力緩慢施加到剪切增稠流體時，聚合物鏈有時間移動並重新排列，因此粘度不受影響。但如果快速施加作用力時，聚合物鏈沒有時間重排，同時會糾纏在一起，粘度大大增加。這就好比一個春運時的火車站，如果每個人都往檢票口擠，就會發生擁堵，但如果用長圍欄隔開，每個人都有秩序的排隊往前走，那麼大家最終都能有序離開。

剪切稀化流體和剪切增稠流體在受力後除了粘性變化相反外，還有一點就是剪切稀化流體需要長時間的作用力才能降低粘性，而剪切稠化流體則是突然應力，使其變硬。

剪切稀化流體（左）：施加的剪切力破壞了聚合物間的氫鍵（或其它二級結構），聚合物更容易流過。 去除應力時，聚合物鏈之間的氫鍵再次形成。剪切增稠流體（右）：施加剪切力可導致聚合物的無規捲曲解開並且彼此纏結，提高粘度。 去除應力時，聚合物恢復到無規線團狀態。圖片來源：RS GRAPHX, INC.

大顯身手的智能材料

作為運動保護材料：

由於此類智能材料作為一種剪切增稠流體，能在受到衝擊時提供保護，比如可以作為護膝和護肘。在正常狀態下，材料呈現流體性質，容易流動，因此佩戴簡單，佩戴者的活動也不會受到影響。但一旦摔倒，滑板、膝蓋撞到地面，材料會立即「變硬」，與傳統護膝相比，在提供更大程度保護的同時，又不會影響佩戴者的運動體驗，甚至讓運動員無受傷的後顧之憂，從而提高運動成績。

含有智能材料的護膝 圖片來源：網路

誰需要使用它們？

• 對運動保護的意識及需求提升，尋求可靠、輕便、靈活、先進保護的運動人群。
• 專業運動員
• 面臨職業危險的人群 (如軍人、警務執法人員和產業工人）
• 老人、兒童等特殊人群（防摔）
• 馬拉松等運動發燒友（吸能減震，保護跑步震動帶來的膝蓋、腳跟、腳踵傷害）
• 精密貴重設備保護（手機套太大材小用了吧）
• 汽車防撞、新能源電池保護、公路橋樑速度鎖定器、阻尼器等

作為軍事防護材料：

利用剪切增稠液的剪切增稠特性，可以用來研製液體防彈衣等新一代身體防護設備。剪切增稠液在提供更高的抗衝擊強度的同時，降低了防護設備的重量和硬度。

新材料的應用給未來帶來更多可能，期待智能材料，特別是我們國產的P4U在不久的將來給我們帶來更多神奇和驚喜。