流变学研究什么(1)

去年去参加美国流变学年会是我第一次去美国。在美领馆面签的时候,面试官问我what is rheology,我抛出课本上的话:the study of the deformation and flow of matter。我是第一次使用这句行内听厌了的官话来“救场”,面试官听了之后竟也作心领神会状。

流变学研究什么,这个问题的外延是一个很大的。一般来说,问一个学科“研究什么”,可以直接去翻翻它的教科书涵盖哪些方面。但是,对于流变学领域,不同的教材,涵盖的方面可能有很大的差别。

  • 有些书只限于聚合物流变学(如Ferry的Viscoelasitic Properties of Polymers,Bird等的Dynamics of Polymeric Liquids,周持兴的《聚合物流变实验与应用》)
  • 有些专于分散液体系(如Mewis和Wagner的Colloidal Suspension Rheology,Tadros的Rheology of Dispersions);有的专于本构方程(如Larson的Consititutive Equations for Polymer Melts and Solutions,Phan-Thien的Understanding Viscoelasticity,许元泽的《高聚物流变学导论》)
  • 有的专于物理(如Doi和Edwards的The Theory of Polymer Dynamics,Larson的Structure and Rheology of Complex Fluids
  • 当然,也有面面俱到的佳作(Macosko的Rheology-Principles, Measurements, and Applications)。

很多初学者被建议认真阅读上述的其中一本书——也确实,上述任何一本都是经典之作——但到了实验研究的时候往往发现仍然需要系统补习新的内容,这不免令人泄气。

定义流变学的那句话,翻译成中文就是:研究物质的形变与流动。其实,我认为这句话应该补充一点:研究物质的形变与流动及其原因。如果仅研究物质的形变与流动,就是一种流体力学的分支了。但如果要究其原因,就会涉及到广阔的软凝聚态物理学领域。而这正是当前流变学研究领域的特点。

如果根据这句话,至少流变学研究要准备两大块知识基础。首先既然是研究“物质形变和流动”,那么就要先能完整地描述形变和流动,特别是有什么样的特殊物质表现出特殊的流动。这是流变学模型的数学和力学基础。其次,既然还要研究原因,那就要从物质的结构和动态出发,需要相关的软凝聚态物理基础。本文分几部分来介绍流变学研究需要的几方面知识。

1. 与流变学相关的软物质物理

凡是不单纯想了解物质流动性,而是想通过流动性质去了解样品结构(structure)和动态(dynamics)的流变学研究,都不能避开软凝聚态物理的学习。很多初学者一开始没有意识到这一点,但又阅读了很多从流变学测量结果来讨论样品结构的论文。他们都倾向于照搬论文中看到过的一些说法来联系流变性质和材料结构或动态。但是,具有类似流变学响应的两种样品,很可能属于完全不同的复杂流体体系,遵循完全不同的物理。所以,每当想要从流变结果来对材料的结构或者动态作任何判断时,首先要区分你的材料属于哪类模型体系,然后根据这一体系的物理学来解释。

那么,从流变学的角度,各类复杂流体到底可以区分为哪些物理原理不同的体系呢?在这方面,Larson的书The Structure and Rheology of Complex Fluids就是一本很好的教材。从它的目录就可以看到三类流变学体系:

  • PART I FUNDAMENTALS
  • PART II POLYMERS, GALLSY LIQUIDS, AND POLYMER GELS
  • PART III SUSPENSIONS
  • PART IV LIQUID CRYSTALS AND SELF-ASSEMBLING FLUIDS

每种体系的流变学都源于完全不同的结构和动态。做研究之前应该先浏览这本书,了解各类体系的结构和动态特点。然后重点阅读自己研究课题所属于的体系的章节,补习相关的物理。遇到实际的测量样品的时候,先试图把样品归类为书中的某种体系,然后根据书中介绍的理论模型去估计它的流变性质应该是怎样的,再去决定哪些测试模式才能给出你想要了解的结构和动态。反过来说,观察到一定的流变学现象之后,先要清楚体系属于哪一类别,再根据其相应的物理来解释实验现象。有了这样的基础,你在阅读别人在论文中对流变学性质的解读时,也能带着批判的眼光——它们应是你批判的对象,不是你求助和照搬的对象。

这本书的出版年份是2005年。因此,它也只能当作一个很好的文献阅读起点。书中没有完善的部分,还需要从它参考文献开始继续追踪近10年来相关体系的研究进展。

未完待续……

万物皆流
微信订阅号——万物皆流

微信订阅号

最近受一个师弟的建议,开了一个微信订阅号。

其实之前我就有这个想法,已经申请了一个微信订阅号。但当时看到“微信个人认证暂时对个人开放”,以为做不了这个认证就用不了公众号,就一直没管了。这次有人建议,我就又回去看了一下这个帐号,发现这个个人认证不是必须的。我的公众号早就能发表文章了。试发了一个测试文,发现删不了。

现在这个订阅号暂时还不公开,因为我还不太玩得转,里面也没什么内容。我先小范围测试一下,等功能和内容完善之后再公开订阅。