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郑强教授解答自己对流变学的看法

发布时间:2023-08-04
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流变学与力学、化学、材料学、医学、建筑学等学科紧密相关,其基本理论和实验方法广泛应用于橡胶、塑料、金属、岩土、石油等体系。食品工业、生物医学、航空航天、国防工业、石油工业以及土木工程等领域的快速发展,对流变学有着指向性需求。


无论其存在或使用状态是液体(如涂料、油漆、驱油剂),还是固体(如塑料、纤维、橡胶),绝大部分高分子材料的制备加工都是在溶液或熔融状态下进行的,流动和形变是最主要的科学问题。另外,外场作用下高分子材料的黏弹性弛豫 (viscoelastic relaxation)行为与性能演变密切关联。流变学不仅可指导加工,也是研究高分子结构-性能关系的重要的、有效的方法。若将“流”看作外场给予物质的刺激,将“变”看作外场作用的历史或快慢,无疑是对流变学理解和认识的深化。由此,可补充定义:流变学是研究材料由外场刺激(方式和过程)所导致的结构演化和性能变化的科学。


这样的理念不仅可深化对流变学内涵的认识,更有利于从多维度认识物质特征。例如:怎样界定材料是固体还是液体?流变学观点认为,材料的形态和性质取决于外场作用(观察)时间的长短或作用的速率:作用(观察)时间无穷短,或速率无穷快,材料呈固体;相反,则为液体。所谓的硬材料、软物质(soft matter),均是物质在有限时间维度或一定外场作用速率下(往往指人眼可视)所呈现的形态。由此可解释:


①快速小切角向河面抛掷瓦片,为何瓦片能在水面飞?这是因为这种瞬时剪切作用下,水表现出固体的回弹特性;


②欧洲一些500年以上老教堂的窗户上的玻璃,为何下部比上部明显要厚?这是缘于在如此漫长的时间内,貌似固体的玻璃在重力作用下缓慢地向下“流动”,呈现出“类液”行为。


就流变学研究对象而言,人们对高分子“情有独钟”。这是因为:基本上唯有高分子在有限时间范围存在可视的力学弛豫谱(relaxation spectrum),呈现丰富的硬-软材料性质以及奇特的流变现象。单就动态流变学方法而言,在长时间(低频率)区域的测试数据,能灵敏地反映高分子无序-有序转变等多层次形态结构信息,如化学交联(chemical crosslinking)、相分离(phase separation)、粒子聚集(particle aggregation)、网络形成(network formation)、凝胶作用(gelation)。着眼更大的空间,我们发现,流变学无处不在:矿山坍塌和道路塌陷,是岩石和土壤应力集中和蠕变积累的结果,属岩土流变学(rheology of rock and soil)范畴;人类关节疾病,许多涉及软组织凝胶润滑与摩擦以及关节应力状态,属生物流变学(biorheology)范畴;高血压和脑血栓,多与血液黏稠度增高以及由此导致的血液流动受阻有关,属血液流变学(hemorheology)范畴。显然,对高分子而言,怎样强调流变学的重要,似乎不为过。对流变学而言,说高分子流变学占据半壁江山,好像也未有夸张。


我工作和生活中的许多专长和乐趣,恰恰得益于流变学的启发:如打乒乓球时,其攻球杀伤力在很大程度上并非依赖于击拍力量,而是靠挥拍速度;如唱男高音时,要控制气息的稳定流动及对声带的冲击(强度);又如习修书法时,笔画的厚重与饱满取决于笔尖对宣纸的剪切应力,笔画中出现的“飞白”取决于毛笔与宣纸的剪切速率;再如我给学生演讲之所以有好的效果,是因为能从流变学的长时演变维度客观看待事物的传承与变迁,能从高分子硬-软互变的视角释析社会问题的骤紧与松缓。