Frank聊流變——萬(wàn)物皆流

子在川上曰：“逝者如斯夫，不舍晝夜”。

這句話，就囊括了樸素的流變學(xué)理念。

流變應(yīng)當(dāng)是一個(gè)充滿趣味，與我們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)的科學(xué)，但同時(shí)又枯燥深澀：滿紙的公式、方程會(huì)讓人望而卻步。我們今天聊的，試圖用一種通俗易懂的語(yǔ)言方式，讓流變的知識(shí)變得觸手可及，直至成為一種常識(shí)，最終內(nèi)化為發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法。條條大道通羅馬，而流變，只不過(guò)是通向羅馬的路徑之一。

一、有趣的流變現(xiàn)象

讀書是一個(gè)由厚到薄，再?gòu)谋〉胶竦倪^(guò)程。對(duì)流變的學(xué)習(xí)和理解，也概莫能外。在科學(xué)發(fā)展進(jìn)化的歷史長(zhǎng)河中，人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的能力，總是伴隨著對(duì)各種自然現(xiàn)象的本質(zhì)化解讀、解釋。所謂透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，對(duì)本質(zhì)的孜孜追求，就成為了科學(xué)。

與流變相關(guān)的例子在生活中比比皆是，只不過(guò)我們沒(méi)有從流變的思維去探討過(guò)。例如：

孩提時(shí)代，在湖面上用輕薄的石頭打水漂，看誰(shuí)的石頭打得遠(yuǎn)；

無(wú)論是人還是動(dòng)物，一旦陷入沼澤地，越掙扎，就會(huì)陷落得越快；

法國(guó)沙塔爾大教堂的玻璃，1200年到現(xiàn)在，發(fā)現(xiàn)上面變薄了，下面變厚了；

再比如，噴鼻子的藥物，說(shuō)明書或者外包裝上總是清晰的告之：用前搖一搖。這又是為什么？

和面機(jī)和面的時(shí)候，為什么攪拌軸上總是爬滿了面團(tuán)？

在用吸管吃盒裝酸奶的時(shí)候，吃完后揭開(kāi)封膜，發(fā)現(xiàn)封膜和杯子的內(nèi)壁上總是殘留部分酸奶。有想過(guò)為什么嗎？這點(diǎn)浪費(fèi)有更好的辦法可以解決嗎？

在泡茶的時(shí)候，總是在茶水的表面，會(huì)形成一層茶膜。有想過(guò)為什么嗎？

天天刷牙。牙膏為什么擠了才會(huì)出來(lái)，不擠不會(huì)出來(lái)。這又是為什么呢？

透明膠帶放置的久了，再用發(fā)現(xiàn)不粘了。

廚師在做湯的時(shí)候，為了不讓其他的原料沉淀和分層，往往會(huì)加入淀粉勾芡。這又是為什么？

例子很多，不勝枚舉。歸根結(jié)底，這些現(xiàn)象都與流變息息相關(guān)?？茖W(xué)家們不斷地問(wèn)著為什么，持續(xù)探究問(wèn)題背后的答案，不斷解決社會(huì)進(jìn)步過(guò)程中的一個(gè)又一個(gè)疑難問(wèn)題，最終形成了科學(xué)理論，稱之為流變學(xué)。

二、流變學(xué)概述

2.1 流變學(xué)定義

“流變學(xué)”的英語(yǔ)名稱是“rheology”，這一術(shù)語(yǔ)是美國(guó)Bingham提出的。流變學(xué)是研究物質(zhì)變形和流動(dòng)的科學(xué)，它的研究對(duì)象主要是非牛頓流體，高分子流體（包括溶液和熔體）等。

在這里，我更傾向于用“軟物質(zhì)”這個(gè)詞來(lái)定義和指代所有的流變學(xué)研究的對(duì)象。軟物質(zhì)（softmatter）是指處于固體和理想流體之間的物質(zhì)。又稱軟凝聚態(tài)物質(zhì)。包括各類非牛頓流體，高分子聚合物，地質(zhì)熔巖，礦渣泥石流，地殼運(yùn)動(dòng)等各類物質(zhì)或者材料。一般由大分子或基團(tuán)組成，包括液晶、聚合物、膠體、膜、泡沫、顆粒物質(zhì)、生命體系物質(zhì)（如DNA、細(xì)胞、體液、蛋白質(zhì)）等?？梢允枪蹋夯旌衔?、液－液混合物、氣－液混合物等。在自然界、生命體、日常生活和生產(chǎn)中廣泛存在。隨處可見(jiàn)的橡膠、膠水、墨汁、洗滌劑、涂料、化妝品、食品等都屬于軟物質(zhì)。

軟物質(zhì)這一概念很好的表達(dá)了流變學(xué)的本質(zhì)，萬(wàn)物皆流，哪怕高山。與流變相關(guān)的特征，粘彈性，時(shí)間尺度，宏觀與微觀等，軟物質(zhì)這個(gè)詞匯相對(duì)準(zhǔn)確且完整的表述了流變學(xué)所要研究的物質(zhì)對(duì)象。

一句話，流變是研究軟物質(zhì)流動(dòng)和形變的學(xué)科。

2.2 流變學(xué)簡(jiǎn)史

流變學(xué)很年輕，從成為獨(dú)立學(xué)科到現(xiàn)在，短短百年。在流變學(xué)的發(fā)展歷程上，有三個(gè)偉大的科學(xué)家值得銘記。

1687年， I.牛頓首先做了簡(jiǎn)單的剪切流動(dòng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)指出，兩板之間的速度分布u(y)服從線性規(guī)律。作用在上板的力同板的面積、板的運(yùn)動(dòng)速度成正比，同間距d成反比。

1678年，英國(guó)人胡克的彈性定律指出：彈簧在發(fā)生彈性形變時(shí)，彈簧的彈力和彈簧的伸長(zhǎng)量（或壓縮量）成正比。彈性系數(shù)只由材料的性質(zhì)所決定，與其他因素?zé)o關(guān)?？梢岳斫鉃楣腆w材料受力之后，材料中的應(yīng)力與應(yīng)變（單位變形量）之間成線性關(guān)系。

1928年，美國(guó)物理化學(xué)家Bingham提出了流變學(xué)的概念，次年成立了流變學(xué)會(huì)，創(chuàng)辦流變學(xué)報(bào)。這標(biāo)志著流變學(xué)的誕生。

牛頓和胡克奠定了最基本的流變學(xué)理論基礎(chǔ)，賓漢姆繼承了前人的成果且實(shí)現(xiàn)了新的突破，把流變學(xué)推向了一個(gè)嶄新的、快速發(fā)展的軌道。

2.3 流變學(xué)功用

一門學(xué)科，總是理論和應(yīng)用交織在一起，互為支撐，不斷推動(dòng)人類走向新的文明。在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中，流變學(xué)家不斷發(fā)展新的理論，呈現(xiàn)出百家爭(zhēng)鳴的局面。我在這里僅限于討論實(shí)用流變測(cè)量學(xué)的功用，那些復(fù)雜的本構(gòu)方程，偏微分?jǐn)?shù)據(jù)處理，眼花繚亂的傅里葉變換，留給從事理論研究的流變學(xué)家們?nèi)ケ磉_(dá)陳述，我更多的思考聚焦在如何利用流變學(xué)的基本理論，公式模型，解決實(shí)際工程問(wèn)題。比如研發(fā)配方的改進(jìn)剖析，工藝過(guò)程管道的優(yōu)化，質(zhì)量控制的一致性評(píng)價(jià)等。一言蔽之，解決流變測(cè)量的問(wèn)題。

（A）從流變學(xué)的思路，試圖用軟物質(zhì)的概念來(lái)囊括液體、固體、半固體，甚至氣體等物質(zhì)。軟物質(zhì)是一個(gè)富有想象力的詞匯，為流變學(xué)測(cè)試和增進(jìn)理解搭建了一條堅(jiān)實(shí)的橋梁。

（B）如何從流動(dòng)和形變、流動(dòng)或形變的多維度測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，去映射工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域遇到的實(shí)際困境。不同的行業(yè)，都有不同的傾向和側(cè)重。盡可能全面、完整的實(shí)現(xiàn)流變測(cè)量與工業(yè)應(yīng)用之間信息整合，試圖跨越這個(gè)信息、知識(shí)鴻溝，讓更多的業(yè)者嘗試用流變的思維解決問(wèn)題。

（C）單純從術(shù)的角度，與大家一起剖析如何選擇適合于自己的需求的旋轉(zhuǎn)流變儀。做石油化工和做膠黏劑的，高校做科研的和企業(yè)做質(zhì)量的，在選擇流變儀的考量上肯定有很大的差別。

三、關(guān)于流變學(xué)的工具書

3.1 《實(shí)用流變測(cè)量學(xué)（修訂版）》，石油工業(yè)出版社，2009年3月

沒(méi)有復(fù)雜桀驁的公式，推薦這本書。這本書從流變學(xué)的基本概念入手，深入淺出，重點(diǎn)闡述了旋轉(zhuǎn)流變儀和轉(zhuǎn)矩流變儀等先進(jìn)的儀器和測(cè)試方法，結(jié)合很多實(shí)際應(yīng)用，給出了如何進(jìn)行流變學(xué)測(cè)量的正確建議，為科研工作者和流變學(xué)入門者為進(jìn)入流變學(xué)圣殿架起了一座橋梁。

3.2 《聚合物實(shí)驗(yàn)流變與應(yīng)用》，上海交通大學(xué)出版社，2003年

這本書對(duì)于流變學(xué)的理論，概念，公式做了大量的嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，科學(xué)的闡述，結(jié)合流變儀在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用案例，把復(fù)雜的流變學(xué)變得通俗易懂，且充滿趣味。書中翔實(shí)的介紹了各種與流變學(xué)相關(guān)的測(cè)試儀器和測(cè)試方法，實(shí)用性很強(qiáng)。

如果有耐心看完這兩本書，對(duì)于流變儀的了解和理解，基本上是入門了。接下來(lái)可以利用儀器設(shè)備進(jìn)行一些開(kāi)創(chuàng)性的研究了。