@ 2015.10.27 , 15:00

蚂蚁既是固态的又是液态的

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蚂蚁集群有根据环境需要改变形状和任务的非凡能力,当洪水袭来,他们自组装形成筏子求生,他们也可以用身体搭建桥梁跨过缺口。是什么特性给了蚂蚁聚集这么大范围的能力?乔治亚理工学院的一项新研究指出,这是因为该昆虫实际上同时类似于液体和固体状态。这项研究日前出版在《自然材料》上。

该乔治亚理工小组把数千只火蚁放进流变仪来探索蚂蚁聚集的力学性能,这种机器用来测试食物、护手霜或熔化塑料等材料的固体状和液体状响应。

蚂蚁们被以每分钟约0.0001转到100转的恒定转速剪切,研究者们发现活蚂蚁的行为与死蚂蚁相似:当聚集被迫流动时,活蚂蚁放任装死,在这种情况下粘度随着速度增加急剧下降。

“这无异于番茄酱,”物理学院副教授Alberto Fernandez-Nieves说,“你越用力挤,就越容易流动,但对蚂蚁来说,这种情况发生得比番茄酱更为剧烈。”

“蚂蚁似乎有一个开关,在施加足够大外力时让它们放手,”乔治·w·伍德拉夫机械工程学院的胡副教授说,“虽然它们想在一起,但它们放开,以防受伤或死亡。”

往蚂蚁聚集里丢一分硬币可以看到同样的行为,硬币通过聚集下沉时,蚂蚁绕着硬币流动,这种流动需要相对较长的时间,然而,当聚集被快速戳中时,它的响应像弹簧一样,并恢复到原来的形状。

“这是粘弹□□的标志,”Fernandez-Nieves说,“当短时间戳探时蚂蚁表现出弹性响应,而戳较长时间时其行为则类似流体。”

该小组通过观察蚂蚁对流变仪微小摆动的响应来量化这一行为,他们发现蚂蚁同等地类似液体和固体,他们用死蚂蚁作了相同实验,发现它们像固体一样,这表明活蚂蚁是因为它们的活动而同时像液体和固体。

“值得注意的是,观察到的行为类似于在那些无生命材料里所看到的,如刚好处于转变为凝胶状态的聚合物凝胶,”Fernandez-Nieves说,“这相当令人费解,我们现在正在进行更多实验来尝试理解这些相似性来自哪里,以及它们可以被推进到什么程度。这样做有希望扩展我们当前对于像蚂蚁一样活跃而不均衡的材料的思维方式,我们计划对蚂蚁做出更多有趣的研究。”

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胡研究蚂蚁行为已有近10年,Fernandez-Nieves是一名物理学家,利用流变学来理解软材料力学并解开它们整体性质和行为的微观起源。

参加了这项研究的研究生科研助理Michael Tennenbaum把蚂蚁聚集的行为和果冻相比较。

“想象一下,如果要用一包明胶做出尽可能多的果冻,它就会是固体的,但也会非常像液体,”他说,“这是因为仅有勉强足够的明胶使它像固体,但不足以使其完全固化,果冻既是固体状又是液体状的。”

胡还使用蚂蚁的类似液体性质来研究自愈材料。

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“如果你用刀切一个餐包,就会得到两块面包,”胡说,“但如果你切一堆蚂蚁,它们就会让刀通过,然后在另一边重新成形,它们像是液态金属——就像是《终结者》中的那个场景。”

胡说是这种灵活性让蚂蚁享有两全其美,它们能变成固体办事,也能变成液体免遭粉碎。

本文译自 Phys,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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