中学课本里,我们把物质分为三种存在状态,即固体,液体和气体。固体具有固定的形状,而液体和气体的形状是随着容器的形状而变化的。气体分子之间的距离很大,所以气体不仅形状可以变化,其体积也是可以在很大程度上受压力和温度的影响而变化。

然而,自然界中的很多材料似乎都很难用这种方式来归类,如橡皮泥,我们很直观的感觉它是固体,可是,当我们把一个任意形状的橡皮泥放到它原来的盒子里,几天以后,它又可以在盒子中平平整整的铺开了。这似乎在告诉我们,橡皮泥是液体,只不过它流动(流动是连续的形变)得太慢了。还有一个例子,就是著名的沥青滴漏实验。相信很多人都和我一样,认定沥青在常温下是固体,不然我们怎么能用沥青铺马路呢?可是,昆士兰大学的托马斯.帕内尔教授于1927年做了一个著名的沥青滴漏实验。实验很简单,他用一个漏斗装着沥青,在常温下经过很长时间以后,我们就可以看到沥青像液滴一样流下了。 一个沥青液滴滴下需要多长时间呢?答案是:大致需要十年!据说,因为太长的等待时间和太多不确定因素,帕内尔教授好几次都错过了沥青滴下的瞬间。1990年,这个实验转交给了约翰.曼斯通教授;2013年又转交给了安德鲁.怀特教授。直到今天,该实验仍在进行中,余下的沥青还至少能坚持上百年!这个实验被吉里斯世界纪录认定为时间最长的实验。它告诉我们,只要我们足够耐心地观察和等待,很多固体都是可以流动的。

我们也许可以换一个角度思考物质流动的问题:是不是我们认定的液体是形变很快的物质,而固体是形变很慢的物质呢?如果是这样,我们是怎样判断快与慢呢?这里,我们可以引入一个时间尺度的概念。人们通常感知的时间范围是“秒”或者“分钟”,如果物质流动的时间尺度比这个时间尺度快很多,我们就感知它是液体。相反,如果物质流动的时间比这个时间尺度慢很多,我们就觉得它是固体。例如,橡皮泥流动的时间尺度是“天”,而沥青流动的时间尺度是“年”,所以我们会觉得它们都是固体。一些更加偏向固体的物质,如玻璃,其流动的时间可能需要上千年。

有没有一个科学是在时间尺度上来研究物质的呢?有的,这就是“流变学”,流变学是研究物质流动和形变的科学。它的英文是rheology,是由尤金.宾汉教授在1929年根据希腊语的词根流动(ῥέω, rhéō)和科学(-λoγία, -logia)来创造的。世界上第一个流变学协会诞生在美国,其会标上印着著名希腊哲学家赫拉克利特的一句名言“ Ἡράκλειτος ὁ Ἐφέσιος”,翻译成中文就是“万物皆流,无物常驻”,这句话也把流变学的思维体系上升到了哲学的高度,并将研究体系扩展到“万物”。流变学协会最高奖“宾汉奖”就以宾汉教授的名字命名的,每年表彰一位在流变学领域作出杰出贡献的流变学家。作为一个典型的交叉学科,流变学的研究的触角也在将近一个世纪的发展中不断伸向更多的学科和领域。在众多的研究对象中,流变学最关注对象往往是形变和流动跨越多个时间尺度的复杂流体,这使得流变学有别于经典的流体力学和固体力学。 多个时间尺度的形变和流动往往对应着多个空间尺度的结构变化,比较典型的复杂流体包括合成高分子、天然高分子、乳液、悬浮体系、胶体体系、凝胶体系等。 流变学研究物质的广泛性,丰富的学科交叉性和其学科本身的适应性,使其能够在发展中不断的迭代更新,并同时保持着旺盛的生命力,成为物质科学、材料科学和生命科学中不可或缺的组成部分。

(内容摘自中科院长春应化所复杂流体课题组网页)

2017年10月19日

流变学的科普小知识

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