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访复旦大学、厦门大学许元泽教授:流变学 高情逸韵往何方
2010-02-02  来源:中国聚合物网(《科学中国人》授权独家网络转载媒体)

   《科学中国人》:流变学这一诞生于20世纪的科研领域经历了快速的发展,广泛应用于材料科技领域。请您为我们梳理一下流变学的发展线索及其意义。
   许元泽:
对流变学的理解有广义与狭义之分。广义流变概念类似变化之道,这种哲理,古已有之,我国先秦诸家和犹太希腊先贤各有天才论述。现代流变学作为精确物理科学来讲,是研究复杂物质的流动与形变的科学。长期以来,人们在研究天然与合成高分子、玻璃、金属等工业材料,岩土、石油、矿物等地质材料,血肉脏腑等生物材料的性质中,发现经典弹性固体和牛顿流体理论不能说明这些材料的复杂力学特性。应用呼唤著科学,但一门科学不光有对象,也要有精确的内涵与独特的研究方法,这是一个历史发展的过程。流变学发端于19世纪时为现代物理学奠基的麦克斯韦和玻尔兹曼等的工作,他们提出了力学量表达的时间依赖性方程,流变学从一开始就具有精确科学的特点。流变学名词(Rheology)出现于20世纪20年代,自那时起,一批土木工程师、高分子与胶体化学家进行了大量的实际体系的流变学实验研究和理论模型的概括,同时,一些理性力学家建立了宏观连续介质本构理论的公理式结构;60年代,宏观流变学体系已基本确立; 70年代的研究主流是寻找流变学本构方程,使其能够尽好地定量描述实际物质在各种形变下的流变响应或称物料函数,采用各种流变模型的软件开始用于高分子加工。但是宏观方程往往顾此失彼,不尽人意。上世纪下叶逐步认识到单一宏观尺度理论难以描述的这种复杂性,源于化学物质从宏观到微观的多尺度结构与相互作用产生的复杂松弛过程。因此,深入物理化学微观本质十分关键,我们称之为结构流变学。早在五六十年代,高分子物理学家建立了大分子链的熵弹性和松弛特性的定量联系,但包括链缠结和多相界面体系尚未突破。近二三十年凝聚态物理突破性发展,尤其是其中以法国的诺贝尔奖得主de Gennes教授为代表的软物质物理的兴起,给复杂流体流变学以新的思想和方法,颇有柳暗花明又一村之感。多尺度物理的介入还将主导今后一段时间流变学领域的发展。流变学这一介于物理、力学、化学之间的学科从来没有像今天这样清晰地体现交叉科学本质。它的责任也越来越大。对象大至石油开发、土木化工,高到空天材料,近到衣食住行离不了的合成与天然高分子及胶体分散体系,小至生命科学、微电子信息和纳米科技等前沿领域的众多复杂物质。尤应强调的是,广泛材料的加工态往往也都是复杂流体。物质结构与流动形变特性的千变万化亟需统一的理性的认识和分析方法,它应该成为材料科学家与过程工程师进行创新的重要武器和科学思维的基础。不过我们离这一目标还可谓任重道远。然而,缺乏流变学知识的教训已不胜枚举,美国挑战者号航天飞机由于在低温下助推火箭的密封橡胶弹性恢复力不够,燃料泄漏而机毁人亡;雨水渗入地层引起的屈服和蠕变导致大楼倒塌和众多泥石流惨剧,等等。如果能予作流变学分析能否避免呢?
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