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为什么做LAOS?

本文来自我最近对一个邮件的回复,觉得有普遍性。

用LAOS研究复杂流体的研究很多,但有目的地使用它的很少。LAOS本身的新奇潮流现在也过了。所以我们必须问,LAOS结果意味着什么?为什么要看LAOS结果?

首先LAOS测试(相比于SAOS)本身就是从非线性粘弹性的出现来划定的,也就是说做LAOS就是去看非线性粘弹性。所以原问题就转化为我们为什么要看非线性粘弹性。

如果说到非线性粘弹性,那研究方法就不止LAOS。阶跃应变、阶跃应变速率、拉伸流变,都是典型的非线性粘弹性测试,所以又要问,看非线性粘弹性,为什么要特别看LAOS?

我个人的观点是,以上问题都没有必然答案。很多时候其实没什么理由去看它的非线性粘弹性;很多时候要看非线性粘弹性也没什么理由特别地去看LAOS。关键要看你要研究什么科学问题,不是为测流变而测流变。

我从建设性的角度,给出几个可能特别要用LAOS研究的理由,看你的研究课题是否采用,但第一个基本问题(为什么要看非线性粘弹性)仍然需要确定。

  1. LAOS相比于其他非线性粘弹性的方法的特点是使用了振荡模式,这除了在数学上便于引入Fourier变换等工程数学工具之外,对于流变学主要是它实现了Deborah数和Weissenberg数分离,即应变的大小和应变的速率分别控制,而不像其他连续形变方式这两者是耦合在一起的。如果你想做LAOS是因为这一特点,那意味着你想看分别地看样品的粘弹性是否专门依赖于形变大小、还是专门依赖于形变速率,还是兼而有之。这也是非线性粘弹性本构模型关心的话题。非线性粘粘弹性本构模型的设计重点之一就是其记忆函数是依赖 应变张量、还是应变率张量,还是二者兼有。
  2. LAOS使用振荡模式又实现了区分循环内(intra-cycle)和循环间(inter-cycle)力学性质。做连续形变是看不到这两类性质的。这两类性质能进一步区分不同的样品。例如,连续形变下同样是应变硬化的材料,在LAOS下虽然都表现为循环内应化(intra-cycle strain hardening),但有的表现为循环间硬化(inter-cycle strain hardening),有的表现为循环间软化(~ softening),不做LAOS区分不了这两类行为。如果你想做LAOS是因为这一特点,那意味着你设想循环内/间行为能够说明你要研究的具体问题(如分子运动等)。

至于以往流行的一些LAOS相关参数如高次谐波、GMGL等,只是早期LAOS建立方法学阶段提出的尝试性参数,其物理意义尚待理论建立,所以不适合应用于具体问题的研究(但却是跟风报道最多的)。所以,如果LAOS的以上两个特点对你没什么用,你就不必要做LAOS。

抛开“你要研究什么”这个问题,就讨论你要做某种复杂流体的非线性粘弹性,我也建议不要做剪切(拖曳流),因为这些体系也许弹性效应非常明显,剪切稍微剧烈法向力就很大,导致挤出、破裂;又或者容易产生不均匀剪切场(如滑移、剪切带等),这都导致数据不可用。想看非线性粘弹性,做拉伸流会更好,当然仪器是否具备另说了。

Andrew

2015年5月9日

最近有人问我关于大幅振荡剪切(LAOS)的问题,我给他一个我们组使用的分析程序的下载链接,现在觉得干脆公开了,所以在博客右边多了一条LAOS分析程序的下载链接。谁觉得用得上的都可以下载。

课题组流变学入门PPT(2)

上次放出了第一次课的PPT,其实很快就又上了第二次课。但PPT一直没放出来。第二次课是关于大幅振荡剪切方法的,但兼谈了非线性粘弹性的其他表征方法。

一点感想:要做流变学研究,真的需要一段时间的密集学习。我自己的亲身经历是基本上没有师兄师姐带,完全靠天天看Rheol. Acta和Trans. Soc. Rheol.上的老文章来学习,弯路走得多,但是获益也不少。是到很后面,我才看例如Bird或者Ferry的textbook的。而这些内容也主要限于流体力学和测量学方面。由于课题的关系还要看胶体物理的paper,看懂光散射、统计。还要熟悉两台流变仪,特别是外单位送过来奇形怪状的样品,维护仪器和空压机,有时要自己去大德路惠福西买配件。此外要做LAOS数据采集,还要懂信号处理的原则性问题,写MATLAT界面。搞了这么多,似乎懂不少,并没有什么实惠,因为我还是没有原创性的工作,不见得就发得了PRL。所以做PhD乃至postdoc其实都是自找苦吃,原意做的人都是一定程度上的乐在其中。这也造成了圈子里的人一般都好聊,还挺可爱。