我在很多地方都说过,说要“学习流变学”的人,其实面临的是各种各样的情况。绝大多数都是临时的短期任务。比如学位的课题是跟流变学相关的(相关性也有高有低),但攻读学位也就短短几年。毕业后,自己就算继续深造,也很难预计研究方向会不会继续做流变学。
在当下之所以产生“学习流变学”的主意,很可能只是按照“先学懂知识再做事,有利于把事情做好”的朴素思维定势。其实这反而是导致很多研究生延毕的一个因素。“先学懂”常常被具体为翻开一本教科书从头看到尾且看懂到可以理解现在的课题内容。但是许多高阶的课程都不像本科学过的知识那样已经有成熟的教科书体系,任一本都差不多能让你学懂。恰恰相反,有很多高阶的课程是没有好的教科书的,懂的人都是在几本很不满意的书的基础上,通过自己的思考和总结补上剩下的理解,长期磨懂的。他们到了懂的时候,也早就离需要的那一刻很远了。从未有谁享受过在需要的时候来得及先懂90%然后顺利完成学业任务的爽快。
这两段话才是我想对所有兴致勃勃地想要来学流变学的同学说的。他们不知道流变学的深浅,只需表现出好学的态度。但我总是提前预见到,他们浅尝之后再想一下毕业时限,多半都会放弃这种学习,因此打不起精神来正式地推荐什么书。
一、先保证课题顺利完成按时毕业
假如你的研究生课题需要经常在流变仪上做实验,你必然会认为你的课题涉及流变学,于是想学习流变学。但无论你想学什么学,都肯定不希望对课题的顺利完成起到反作用。完全一无所知当然是不好的,但我们先有限地了解一丁点保证比不了解要好的东西,不要突然一上来就拿本书看起来,妄图最终完美对接你的课题。更不要妄图能看懂论文里的流变学部分。
1. 先搞清楚你要做的是什么体系
你要先对自己经常要做的实验试样本身了解清楚。在流变学中,我们对实验试样的看待方式是跟化学家不同的。你很可能已经知道试样的化学组成。溶剂是什么分子,溶质是什么分子,悬浮物是什么物质的颗粒,油相是什么水相是什么界面是什么……等等。但流变学需要你对它进行的分类用的是复杂流体/软物质的物理建模方式。比如凡是粒子悬浮液都套一类模型,但如果是乳液就都套另一类模型。表面活性剂的自组装体系、线形聚合物的溶液、熔体、物理凝胶……全都是按建模方式来进行的。实际试样如果成份复杂到一定程度,就需要你先对它作出正确的抽象,决定是把它视为浮液好还是视为物理凝胶好。这是不能从表观流动性观察作出的。表观看,你的试样都是一坨泥巴粘粘的东西,或者好像可以倒瓶像个“凝胶”,但它完全可能是所有类型中的任一种。
因为每一类体系,结构动力学理论和本构关系都一大堆,都水很深。流变学教科书,要么只写那些本构关系基本理论的普适知识,你看完了肯定离对上你课题差很远;要么五花八门所有体系的结构动力学都讲一通,你都看也看不完。这就很需要你能先知道你毕业课题需要做的试样归类为哪个,集中了解关于这类复杂流体的知识,其他体系的流变学知识先不管了
一个方便大家去区分自己做的是什么体系的书是文献[1]。这本书本身是一个系统的流变学教材。但这时你还是流变学小白,正式的内容是看不懂的。你只需要把目录里每个体系的介绍和基本物理机理读一下。尽快确定,你要做的实验体系,更像是哪一章的内容。
归不到这本书类别里的体系,基本没有常规的(现成的)结构流变学模型来给你套,说明针对你的体系的结构流变学建模研究本身可能就不成熟。你或你导师要不是自己能做且正在做这样的理论研究,就最好放弃想要通过流变测试联系到试样的结构的这种课题思路吧。
2. 理解流变学测试
第二个可以开始入手做的就是理解流变测试仪器和测试实验。
大部分的所谓涉及流变学的课题,最后无非就是说经常要用流变仪。“流变仪”(rheometer)本身是一个有严格界定的词,也有很多不同的分类。但这种小心是流变学家之间才讲究的。大部分外行人口中说的“流变仪”,就是指商业的旋转流变仪(rotational rheometer)。稍微内行一点儿的,会懂得区别旋转流变仪和毛细管流变仪(capillary rheometer)、转矩流变仪(torque rheometer)等。
如果你的课题涉及的不是旋转流变仪而是其他这几种,那你的实验体系多半就是聚合物。旋转流变仪,是泛软凝聚态体系能用上的唯一严格流变仪了,各类食品化妆品行业还会使用质构仪(texture analyzer),甚至更多土办法。这些实验仪器,要么不要跟流变学结合,要结合就需要有成熟的流变学经验的人来做。
无论哪种流变仪,我们都先理解清楚仪器的原理,仪器输出信号和物理量的关系,我们的试样在仪器当中发生的物理过程,以及所测得的物理量与试样的性质之间的联系,决定测试条件的理由是什么,达到能根据不同的实验目和临时看到的现象自主改变测试条件。
在这里我推荐文献[2]。就算你做的不是聚合物体系,也不仿假装是,把第一章看了,如前方所述,如果你不是做聚合物流变,大概率能用上的正经流变仪是旋转流变仪,那么需要看第4章。虽然第4章的例子还是面向聚合物的,但基本测试原理部分是通用的。如果你是做聚合物的,那可能你所使用的流变仪是其他类型的,在其他章节。
其他一些流变学课本的测试章节,也可以独立阅读的。
除了书之外,要多结合你所使用的流变仪。要多跟流变仪厂商的工程师学习,订阅流变仪厂商的微信公众号,参加流变仪厂商举办的webinar,加入流变仪厂商的用户微信群,多结识同样使用同款流变仪的朋友,互相交流,在优先解决燃眉之急的日常中积累一些碎片知识和经验,直到毕业。
Walters TA李润明博士的公众号:黏弹测量技术及应用案例探讨,是一个宝藏公众号。里面的内容,恰好填补了流变学入门人士的知识空白,同时内容正确、严谨且通用。
Anton Paar郑炳林博士的公众号:流变应用百科,则与Anton Paar旗下的仪器结合得更紧密些,但仍然有大量通用的流变学知识。
相信其他流变仪厂商也有类似的做法,很容易通过售后了解到。
这种学习提高,也是直接有利于你课题的顺利完成的。注意学习本节这两条,相当于没怎么正式学流变学,但已经有得你学习的东西了了。能勉强混个毕业,将来的事以后再说。
二、成为流变学家是偶然的
很多同学可能说,我的目标比上述的稍高一些,但也不算很高;我无非就是想:看懂我的领域的流变学论文。作为一个研究生,至少自己领域的论文能看懂,岂不应是最起码的要求吗?我不这么要求自己,导师和答辩委员也会这么评审我。
很遗憾。流变学在理论上,就是物理学很多不同范式或approach的交叉,在计算机模拟或实验研究方法上,就更加是一个八仙过海各显神通的世界。你以为都是做你的体系的论文,就该都读得懂。其实如果你达到了这种状态,你已经成为称职的流变学家了,而这意味着已经走完一条漫长和崎岖的道路。
1. 你的导师懂啥、做啥,你就先学啥
这条建议是很自然的,可能很多同学自己就知道先这么干。但仍然还是明确一下。你导师也不熟的,你几乎不可能自学搞懂。因为学习遇到困难的时候非常多,每每需要有一个可以指点迷津的人。这个人如果你的导师无法胜任,那一般人脉系统中再无他人,或就算有,也十分间接。
纵观全球流变学研究圈子,流变学通才也仅限于少数德高望重的大师。大部分最活跃的研究者,也都只不过做到了在自己擅长的“派别”中做到了top而已。在一场流变学交流当中,面对同一共性问题,不同派别之间的交流是很有限的(虽然也是很宝贵的),行之有效合作就更罕见了(因此哪怕只是表面上的合作已经很受欢迎)。你一个跟着你导师混毕业的小卡拉米,能在你导师精通的领域,在他的传授下学到无论多少,是否能看懂论文都应该满足。
在这方面,你向你自己的导师表示出更加深入地学习流变学(具体是他的研究基础)的意愿,他自会推荐一些书、综述、专著。泛泛在网上问一句“流变学的书”,一来未必与你导师的知识有足够的重合,二来你导师对你的自学行为也提不起更大的兴趣。
2. 非牛顿流体力学(场论) vs 软凝聚态物理(统计)
正如整个物理学那般,场论和统计的观点分分合合是流变学理论常态。流变学圈内人讲话写字常常混为一谈。这既可能来自于一个概念清晰且融汇贯通的人,也可能来自于一个装货。作为初学者,你们听到或读到这样的言论,反正都是一头雾水,也分不出那个人是真懂还是假懂。
非牛顿流体力学,是用场论的语言描述流动现象,而不关心具体结构动力学成因。它的基础理论就是连续介质力学。所有流体,都是在连续性方程和守恒律的主导下运动的。具体某一体系为什么表现出特殊的流动行为,是其本构关系本身的还原论根源问题。在非牛顿流体力学的研究视角中,本构关系有适用的就先拿来用,因为它的更远的目标是希望建模仿真,预测复杂几何环境下的流场。有时用的本构关系并没有什么特定的结构物理根源,无非就是表观行为匹配,且在计算流体力学仿真中收敛行为好。
软凝聚态物理或者说软物质科学,则是关注微观动力学于宏观现象(不限于流动现象)之间的关系的。整个凝聚态物理就是基于对物质体系的特殊性的正式才存在的学科。软凝聚态物理主关心各类复杂流体。所以它是负责建模和解释流体特殊流动行为的微观原因的。它的最高目标就是从微观建模得出一个本构关系。这个本构关系如果要发挥作用,则仍要供非牛顿流体力学研究去做流体力学仿真。
我们很少看到在一篇论文里,从本构关系的结构理论,一直到计算流体力学仿真做通。大部分研究工作,都囿于这两块之一做点工作。所以如果你只读论文,是看不到这个big picture。现在就算看到了,也不代表我们真就以做完整的big picture为己任了。因为这两块的理论基础都是十分艰深的。每一个都需要长期、连续的学习才能搞定。
值得一提的是,场论世界也可以从另一种意义上“解决”本构关系问题,这就是不可逆热力学理论现在的未竟目标,希望通过变分法原理把本构关系本身的普适最小作用量原理确定下来。我提这件事只是为了防杠。对于初学者,简单认为区分成小标题的两个世界就足够受益了。
3. 自己独立之后,需要学啥就学啥,不一定会继续学流变学
成不成为一个流变学家,或者说你将来成为一个什么学家,是无法预先决定、规划的。你能做的只是,遇到什么研究环境,面临什么科学问题,就提高什么理论基础。因为超出本科的任何高阶课,都是很窄的。除非你对它有源自灵魂深处的原始兴趣,否则,你对当前课题本身关注的科学问题的兴趣,往往都会超出学习一门不相关的理论的兴趣。
正是因为每个专家都是这样稀里糊涂成为了当下这个领域的专家的;自己今天懂啥、懂多少,之前根本预见不了,所以,无论当下你已经学了多少,都不要忘了优先交流合作,把自学成材的优先度放到最后。不懂流变学,优先要做的不是自己学,而是找懂的人合作。除非你的课题就是流变学课题——即推进流变学认识发展的课题,这才要求你所要站在的肩膀上的巨人不是旁的什么巨人而恰好是流变学这个巨人,只好自己把已知的流变学学透。
三、正式学习的建议
流变学说窄也不窄,泛流变学研究领域几乎跟整个软物质科学重合。假设我们有幸拥有长期学习的机会和自由,那么我在下面分几条来介绍一些书在流变学研究当中扮演的角色。这一节是会掺有我个人观点和品味的。仅供参考。
1. 先学连续介质力学
先把连续介质力学学好有几个好处
1) 它负责把场论的数学、偏微分方程、物理学中的客观性、守恒律、本构关系等基本概念等具有普遍意义的基础先建立了。将来就算你不做流变学而做其他物理学,理论学习上会非常轻松。
2) 与先学统计力学相比,我个人体会是,先建立场论的认识后,会对统计力学范式中的特殊观念更为敏感,学统计力学时会更快直达真缔。
3) 往计算流体力学仿真延伸更直接,比较有利于你在工业界的成长。毕竟工业界或应用项目往往不是来搞清楚复杂流体流动的微观结构原因的,而是要解决实际输运问题的。
数学基础需要基于算符语言的线性代数和多元函数微积分,特别是前者在后者的使用。在学习多元函数微积分的过程中,要重视一般曲线坐标系理论的补习。一个比较好的数学到物理的衔接是:
线性代数:[3,4];向量函数微积分:[5,6];连续介质力学:[7-9]。
关于数学:不需要专门找张量分析的书来学。仅为了流变学研究的体系而言,搞清楚有限维欧几里得空间的场函数的导数作为一个线性算符的一般曲线坐标理论已经足够了;这套知识就是张量。作为初学,仅学好一些仅限于3维的空间向量特殊结论也已经足够。我推荐的数学书虽然从头到尾没说什么是“张量”,但我推荐的连续介质力学书[9]直接说张量就是线性变换,这代表了相当一部分连续介质力学书的做法。
关于连续介质力学推荐的书:我推荐的这三本从7到9是由浅尝,到理性(rational)的一个渐近。Rudnicki的书花一半的时间学习向量微积分语言。其实你在[5,6]就已经系统学习,且观点高度适中。Reddy的书也几乎是本科水平,语言和数学符号上是比较explicit的,不易造成初学者的概念混乱(一个连续介质力学书撰写功力的验证就是看它“物质导数”部分讲得怎么样)。而Smith的书则是能让你建立更严格的理性力学基础,又不至于面临直接阅读Truesdell和Noll等人的原书的数学门槛的一本书。
对于我没推荐的书,我不喜欢去理会学生们追着问我“老师那我这本书怎么样”、“那本书怎么样”。诚然有很多更多人推荐的连续介质力学书,比如I-Shih Liu、冯元桢,或者Gurtin的小书。这些我都看过,都好。本来就不可能只看一本书学懂的。你能找到什么书,直接先看什么书就完了。反正无论怎么“优化”你的书单,也不可能在你毕业前来得及学懂的。何必又斤斤计较,一丁点儿弯路都怕走?我推荐的这几本,是从初学者的学习路径角度,认为超过我没推荐的那些书。但每个人的资质都不一样。说不定你上来就看Truesdell & Noll就看得很爽。比如我本人就是这样反过来学的。
2. 流变学:一般话题 vs 专门话题
流变学的书太多了。我看过几乎所有流变学书(这两年新出的可能不算)。好的作者,好的书,推荐不过来。我只局限于学习上的首选,有限推荐一些。
流变学的一般话题(就是普适教科书内容),一般会包括非牛顿流体的本构关系理论、流变测量学以及聚合物、悬浮液这两大类体系的流变学。这样的书,我推荐[12][13]。[12]是可以作为流变学的主力教材的。[13]是非常浅的一本书,它甚至不需要什么微积分基础更别说张量了。它适合工业界的人士补充一些流变学常识,而且讲得很通俗,完全够用了。只是里面一些测试仪器的内容有点陈旧。
按照我的品味,我推荐一些在非线性流体力学方面有所侧重的两本一般话题书:[10]和[11],这两本书都对流变测量学(rheometry)有所侧重。流变测量学是流变学能作为一门科学而非玄学的理论基础,在后面会专门提到。
在流变学中有一些专门的话题。这些都建议先完整学习一般话题的书之后再看。
1) 非线性粘弹性本构关系理论:除[10]外,还可看[17]。所谓本构关系理论,并非我们如何从微观推出不同体系的本构关系的学问,而是在连续介质力学的框架下,如何构建出非线性和粘弹性的现象学理论。在这个意义上,我其实并不太推荐[17]。因为这个话题更重要的是一般性和客观性。但从实用的角度,[17]算是这个话题之内的一个实用文本,有很多算例。而且它被很多人奉为“流变学教材”的圣经。实际上,本构关系的理论研究是很抽象的。它就是所谓的“简单材料/流体”(simple materials/fluids)理论(其实一点也不简单),重点在于仅基于热力学定律和客观性原理,写下适用于所有物体尽可有具体的约束,其数学语言是比较高级的。但可以说,简单流体就是整个流变学的基础理论。我们平时读到的流变学教科书里的内容,其实是简单流体理论的部分具有实用性的推论,再结合一点现象学经验的集合。关于简单流体理论,前面推荐的[9]、[10]和[11]都没有回避,且进行了十分准确的简化介绍。
2) 流变测量学(rheometry):抽象的简单流体理论的一大实际贡献就是流变测量学。所谓流变测量学,不是具体罗列现在有什么测试方法,而是旨在连系简单流体理论和可检验性的理论。它使得一个一般的非线性粘弹性流体,有可能通过基于边界运动的测量而得到完整表征(在某些特定流场下),从而使得流变学是一个可实验检验的、完整意义的科学。否则所谓的“非线性粘弹性”,就只限玄学。其中最主要的是测粘流(viscometric flow)理论。它是当下流变仪之所以如此设计的理论基础。除此之外,各类非测粘流的理论也属于流变测量学的研究内容。但是这种高屋建瓴的做法当然是不适合初学的。流变测量学的一个由浅入深的路径是:[2][18][19]。当然[10][11]和[12]也有相关介绍。
3) 结构流变学:如果关心具体体系的流变学与微观结构与动力学的关系,你就陷入了软凝聚态物理的非平衡态统计世界了。想面向这个世界打下扎实的数理基础,需要另开一篇文章。否则,我们只能希望先半懂不懂的了解一些复杂流体的微观图象和公式。在这方面[1]是至今仍然无可替代的百科全书。同作者的[15]着重介绍聚合物体系的结构理论。但无论如何,如果你没有物理学背景,特别是化学背景,仅按前文建立了知识,这些结构流变学的书仍然是不足以使你理解透彻的,但至少它们有一些原始参考文献,可供你从原始文献自学。更重要的是需要建立液体非平衡态统计和胶体物理的基础。而这则变成了软物质物理研究者的功夫了。
还有一些更加具体的话题,比如Ferry关于聚合物粘弹谱的书,我就不在这里罗列了。如果你到了这个地步,自然也会知道这些书。
3. 中文流变学书
大部分中文流变学书的质量很差。吴奇晔的书尤其不推荐。有些作者,知识和功力根本达不到写那些内容的水平,非要硬写。不仅概念写不明白,还到处出现学术错误。有些作者,也就充其量做到了抄书,看上去各章内容都讲了,但从语文文字来看完全没有思想穿透力,感受不到他在主动往你脑中塞知识。这是“抄书还抄不明白”的特点。
译著的情况就更糟糕了。
我的白名单:[2]、[20]、[21]。译著,除了之间提到的[13]之外,[22]、[23]是十分负责的译著,尽管它们的外文原著没有作为首选在前文推荐。因此,这些白名单中文著作可作为纯中文的学习资料,恰好可以涵盖从连续介质力学到流变学的知识([21]可能需要读者的数理直觉更敏捷,或者需要有人讲解或注解)。
参考文献
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