Frank聊流變——萬物皆流

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理念。

流變應當是一個充滿趣味，與我們的生產生活息息相關的科學，但同時又枯燥深澀：滿紙的公式、方程會讓人望而卻步。我們今天聊的，試圖用一種通俗易懂的語言方式，讓流變的知識變得觸手可及，直至成為一種常識，最終內化為發(fā)現(xiàn)問題，分析問題和解決問題的方法。條條大道通羅馬，而流變，只不過是通向羅馬的路徑之一。

一、有趣的流變現(xiàn)象

讀書是一個由厚到薄，再從薄到厚的過程。對流變的學習和理解，也概莫能外。在科學發(fā)展進化的歷史長河中，人類認識世界和改造世界的能力，總是伴隨著對各種自然現(xiàn)象的本質化解讀、解釋。所謂透過現(xiàn)象看本質，對本質的孜孜追求，就成為了科學。

與流變相關的例子在生活中比比皆是，只不過我們沒有從流變的思維去探討過。例如：

孩提時代，在湖面上用輕薄的石頭打水漂，看誰的石頭打得遠；

無論是人還是動物，一旦陷入沼澤地，越掙扎，就會陷落得越快；

法國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？

和面機和面的時候，為什么攪拌軸上總是爬滿了面團？

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

在泡茶的時候，總是在茶水的表面，會形成一層茶膜。有想過為什么嗎？

天天刷牙。牙膏為什么擠了才會出來，不擠不會出來。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。

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

例子很多，不勝枚舉。歸根結底，這些現(xiàn)象都與流變息息相關。科學家們不斷地問著為什么，持續(xù)探究問題背后的答案，不斷解決社會進步過程中的一個又一個疑難問題，最終形成了科學理論，稱之為流變學。

二、流變學概述

2.1 流變學定義

“流變學”的英語名稱是“rheology”，這一術語是美國Bingham提出的。流變學是研究物質變形和流動的科學，它的研究對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”這個詞來定義和指代所有的流變學研究的對象。軟物質（softmatter）是指處于固體和理想流體之間的物質。又稱軟凝聚態(tài)物質。包括各類非牛頓流體，高分子聚合物，地質熔巖，礦渣泥石流，地殼運動等各類物質或者材料。一般由大分子或基團組成，包括液晶、聚合物、膠體、膜、泡沫、顆粒物質、生命體系物質（如DNA、細胞、體液、蛋白質）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、日常生活和生產中廣泛存在。隨處可見的橡膠、膠水、墨汁、洗滌劑、涂料、化妝品、食品等都屬于軟物質。

軟物質這一概念很好的表達了流變學的本質，萬物皆流，哪怕高山。與流變相關的特征，粘彈性，時間尺度，宏觀與微觀等，軟物質這個詞匯相對準確且完整的表述了流變學所要研究的物質對象。

一句話，流變是研究軟物質流動和形變的學科。

2.2 流變學簡史

流變學很年輕，從成為獨立學科到現(xiàn)在，短短百年。在流變學的發(fā)展歷程上，有三個偉大的科學家值得銘記。

1687年， I.牛頓首先做了簡單的剪切流動實驗。實驗指出，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、板的運動速度成正比，同間距d成反比。

1678年，英國人胡克的彈性定律指出：彈簧在發(fā)生彈性形變時，彈簧的彈力和彈簧的伸長量（或壓縮量）成正比。彈性系數只由材料的性質所決定，與其他因素無關?？梢岳斫鉃楣腆w材料受力之后，材料中的應力與應變（單位變形量）之間成線性關系。

1928年，美國物理化學家Bingham提出了流變學的概念，次年成立了流變學會，創(chuàng)辦流變學報。這標志著流變學的誕生。

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

2.3 流變學功用

一門學科，總是理論和應用交織在一起，互為支撐，不斷推動人類走向新的文明。在實際的工業(yè)應用中，流變學家不斷發(fā)展新的理論，呈現(xiàn)出百家爭鳴的局面。我在這里僅限于討論實用流變測量學的功用，那些復雜的本構方程，偏微分數據處理，眼花繚亂的傅里葉變換，留給從事理論研究的流變學家們去表達陳述，我更多的思考聚焦在如何利用流變學的基本理論，公式模型，解決實際工程問題。比如研發(fā)配方的改進剖析，工藝過程管道的優(yōu)化，質量控制的一致性評價等。一言蔽之，解決流變測量的問題。

（A）從流變學的思路，試圖用軟物質的概念來囊括液體、固體、半固體，甚至氣體等物質。軟物質是一個富有想象力的詞匯，為流變學測試和增進理解搭建了一條堅實的橋梁。

（B）如何從流動和形變、流動或形變的多維度測試和數據分析，去映射工業(yè)應用領域遇到的實際困境。不同的行業(yè)，都有不同的傾向和側重。盡可能全面、完整的實現(xiàn)流變測量與工業(yè)應用之間信息整合，試圖跨越這個信息、知識鴻溝，讓更多的業(yè)者嘗試用流變的思維解決問題。

（C）單純從術的角度，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)做質量的，在選擇流變儀的考量上肯定有很大的差別。

三、關于流變學的工具書

3.1 《實用流變測量學（修訂版）》，石油工業(yè)出版社，2009年3月

沒有復雜桀驁的公式，推薦這本書。這本書從流變學的基本概念入手，深入淺出，重點闡述了旋轉流變儀和轉矩流變儀等先進的儀器和測試方法，結合很多實際應用，給出了如何進行流變學測量的正確建議，為科研工作者和流變學入門者為進入流變學圣殿架起了一座橋梁。

3.2 《聚合物實驗流變與應用》，上海交通大學出版社，2003年

這本書對于流變學的理論，概念，公式做了大量的嚴謹的，科學的闡述，結合流變儀在各個行業(yè)的應用案例，把復雜的流變學變得通俗易懂，且充滿趣味。書中翔實的介紹了各種與流變學相關的測試儀器和測試方法，實用性很強。

如果有耐心看完這兩本書，對于流變儀的了解和理解，基本上是入門了。接下來可以利用儀器設備進行一些開創(chuàng)性的研究了。