Category Archives: 我的研究笔记

书和作者

我是最近才知道这本书Fluid Mechanics for Chemical Engineers及其作者James O Wilkes(链接12),是个非常老的老头儿了。这本教科书也被低估了。在Amazon.com上,唯一一个比较长的书评很不公道。或者说,也许美国的学生被美国教科书宠坏了。作者是在写书的人之中真正专长于教学的。一般高年级本科或者研究生水平的教科书,只需做到内容正确、逻辑流畅和严密自洽,就能很好地满足自学者的需求。如果还有点作者对这个学科意图和旨趣的理解,并体现在独特的叙事上,那就甚至可以说具备欣赏价值了。但是,尊循学生学习规律去设计递进(例如特别是在推导技巧培养上),则往往是本科低年级教科书才讲究的事,却在这本书里表现得很突出。读这本书你会想象到作者搞了很多年课堂教学。他不仅能为其内容的严密自洽负责,还特别清楚他的内容在学习者那里所产生的效应并很好地去管理这种效应。后者的这种管理能力是很多学术水平很高但不搞教学的研究者所缺乏的。

作者年龄够老,且愿意在书里分享很多趣闻,这也进一步使得这本书读起来更像课堂。例如,在推导锥板之间的流体时作者就透露了Weissenberg跟他讲过的一件事:

Professor Weissenberg once related to the author that he (Prof. W.) was attending an instrument trad show in London. There, the rheogoniometer was being demonstrated by a young salesman who was unaware of Prof. W’s identity. Upon inquiring how the instrument worked, the salesman replied: “I’m sorry, sir, but it’s quite complicated, and I don’t think you will be able to understand it.”

p. 296

作者是个兴趣广泛的人。他还拿过管风琴学位,写过管风琴的书。2015年,他完成了祖父手稿《汉普郡的地名》和《怀特岛》的编辑工作,并将其作为一本624页的精装书出版,其中包括200幅插图,其中许多都是彩色的。

流变学研究什么(1)

去年去参加美国流变学年会是我第一次去美国。在美领馆面签的时候,面试官问我what is rheology,我抛出课本上的话:the study of the deformation and flow of matter。我是第一次使用这句行内听厌了的官话来“救场”,面试官听了之后竟也作心领神会状。

流变学研究什么,这个问题的外延是一个很大的。一般来说,问一个学科“研究什么”,可以直接去翻翻它的教科书涵盖哪些方面。但是,对于流变学领域,不同的教材,涵盖的方面可能有很大的差别。

  • 有些书只限于聚合物流变学(如Ferry的Viscoelasitic Properties of Polymers,Bird等的Dynamics of Polymeric Liquids,周持兴的《聚合物流变实验与应用》)
  • 有些专于分散液体系(如Mewis和Wagner的Colloidal Suspension Rheology,Tadros的Rheology of Dispersions);有的专于本构方程(如Larson的Consititutive Equations for Polymer Melts and Solutions,Phan-Thien的Understanding Viscoelasticity,许元泽的《高聚物流变学导论》)
  • 有的专于物理(如Doi和Edwards的The Theory of Polymer Dynamics,Larson的Structure and Rheology of Complex Fluids
  • 当然,也有面面俱到的佳作(Macosko的Rheology-Principles, Measurements, and Applications)。

很多初学者被建议认真阅读上述的其中一本书——也确实,上述任何一本都是经典之作——但到了实验研究的时候往往发现仍然需要系统补习新的内容,这不免令人泄气。

定义流变学的那句话,翻译成中文就是:研究物质的形变与流动。其实,我认为这句话应该补充一点:研究物质的形变与流动及其原因。如果仅研究物质的形变与流动,就是一种流体力学的分支了。但如果要究其原因,就会涉及到广阔的软凝聚态物理学领域。而这正是当前流变学研究领域的特点。

如果根据这句话,至少流变学研究要准备两大块知识基础。首先既然是研究“物质形变和流动”,那么就要先能完整地描述形变和流动,特别是有什么样的特殊物质表现出特殊的流动。这是流变学模型的数学和力学基础。其次,既然还要研究原因,那就要从物质的结构和动态出发,需要相关的软凝聚态物理基础。本文分几部分来介绍流变学研究需要的几方面知识。

1. 与流变学相关的软物质物理

凡是不单纯想了解物质流动性,而是想通过流动性质去了解样品结构(structure)和动态(dynamics)的流变学研究,都不能避开软凝聚态物理的学习。很多初学者一开始没有意识到这一点,但又阅读了很多从流变学测量结果来讨论样品结构的论文。他们都倾向于照搬论文中看到过的一些说法来联系流变性质和材料结构或动态。但是,具有类似流变学响应的两种样品,很可能属于完全不同的复杂流体体系,遵循完全不同的物理。所以,每当想要从流变结果来对材料的结构或者动态作任何判断时,首先要区分你的材料属于哪类模型体系,然后根据这一体系的物理学来解释。

那么,从流变学的角度,各类复杂流体到底可以区分为哪些物理原理不同的体系呢?在这方面,Larson的书The Structure and Rheology of Complex Fluids就是一本很好的教材。从它的目录就可以看到三类流变学体系:

  • PART I FUNDAMENTALS
  • PART II POLYMERS, GALLSY LIQUIDS, AND POLYMER GELS
  • PART III SUSPENSIONS
  • PART IV LIQUID CRYSTALS AND SELF-ASSEMBLING FLUIDS

每种体系的流变学都源于完全不同的结构和动态。做研究之前应该先浏览这本书,了解各类体系的结构和动态特点。然后重点阅读自己研究课题所属于的体系的章节,补习相关的物理。遇到实际的测量样品的时候,先试图把样品归类为书中的某种体系,然后根据书中介绍的理论模型去估计它的流变性质应该是怎样的,再去决定哪些测试模式才能给出你想要了解的结构和动态。反过来说,观察到一定的流变学现象之后,先要清楚体系属于哪一类别,再根据其相应的物理来解释实验现象。有了这样的基础,你在阅读别人在论文中对流变学性质的解读时,也能带着批判的眼光——它们应是你批判的对象,不是你求助和照搬的对象。

这本书的出版年份是2005年。因此,它也只能当作一个很好的文献阅读起点。书中没有完善的部分,还需要从它参考文献开始继续追踪近10年来相关体系的研究进展。

未完待续……

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