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宏观流变学的认识局限

遇到一篇J. Rheol.上的文章[1],是做单层细胞流变学的。流变学部分的实现形式是上、下板夹着一层细胞,然后进行剪切,测量应力应变。该工作还同时进行显微观测,所以上述的装置是在一台倒置显微镜上搭的。我自己也需要在显微镜上搭东西,所以这类工作我都会看,吸收些别人的经验。

虽然只有单层细胞,但这种上下板夹着材料剪切的测试其实还是属于宏观流变学的认识角度。但凡宏观流变学的问题就是它其实是一个纯力学测试,一切关于结构(structure)和动态(dynamics)的信息都要依赖已有的理论来推测。无论是什么体系,一般是物理学家先去从结构和动态出发建模,预测流变学行为,建立了因果联系之后,对这种体系的宏观流变学测量结果才能联系到结构和动态。从微观结构和动态出发,想要预测宏观流变性质,要么这种体系结构均一,可以通过统计来联系微观和宏观;要么必须进行粗粒化,做成介观模型,无法做到first principle。软物质体系的情况往往都是后者。

了解软物质的宏观流变性质,也不一定就是为了了解结构和动态,毕竟后者有更为适合的显微镜和电磁波散射技术。另一个大的研究目的是为了服务材料学。流变学和力学性能是材料加工和使用过程中的重要性质,哪怕理论模型跟不上,只能积累经验规律,也有实际意义,需要大量测量研究。

不过,研究细胞的宏观流变学,或者说“whole cell mechanics”,就跟上述哪种情况都不沾边。了解细胞的力学性能,不是因为人类现在拿细胞或组织作为具有可加工性的材料,而是想了解细胞的结构和生理与其力学性能之间的相互关系。而且更重要的是后者还会影响前者,你只要去测量,它就不再是原来的对象,有点量子力学的味道。既然不是为了做材料使用,而是为了研究结构—性能关系的话,光做宏观流变学,不能回答结构和生理问题。

这就是为什么这篇文章的工作把单层细胞流变测量装置做在倒置显微镜上的缘故。这样的话,宏观流变学测量的同时能够看到细胞的结构和生理状态,因和果同时观察。

这种策略也并非创新。复杂流体流变学研究中边看流场分布边测应力应变的做法早就有了,也是为了解决两者相互影响耦合的问题。但是,我对这类做法总的感觉就是,剪切场下流场的分布,或者细胞的生理变化,本身就具有十分丰富的研究内容,最终材料响应出来的应力问题重要性可以靠后很多。如果你研究的对象是材料,那鉴于加工和使用的需要了解应力应变关系还是必要的。但如果是研究细胞,研究的目的是结构—性能关系,那似乎只需要知道剪切对结构和生理的影响就够了。你把结构、生理跟应力应变的关系都搞清楚了,不还是为了将来能通过应力应变来测量结构和生理吗?换句话说,从软凝聚态物理的研究角度,如果体系不是要拿来加工和使用,那剪切只是一个条件,属于引入外场,形成非平衡条件,研究重点是结构和动态,而不是剪切应变或应力之间的关系。

所以我总觉得想要在旋转流变仪上认识新体系往往不恰当。把样品上到旋转流变仪上的同时,我们总是做好某种物理图像的准备,聚合物的也好,粒子分散液的也好。一个完全无法归类为某种已有物理图象的复杂流体,直接拿来测宏观流变,就只能积累一下经验规律了,这只对生产使用有意义。

References

  1. C.M. Elkins, W. Shen, V.K. Khor, F.B. Kraemer, and G.G. Fuller, "Quantification of stromal vascular cell mechanics with a linear cell monolayer rheometer", Journal of Rheology, vol. 59, pp. 33-50, 2014. http://dx.doi.org/10.1122/1.4902437

我现在做研究的方法

留意到了两篇研究蚂蚁行走轨迹的论文。第一篇[1]是实验观察,第二篇[2]是建模的工作。主要的发现是蚂蚁的行队随着密度不断升高没有发现“塞车”的现象。这个结论在科普的意义上是一个兴奋点,但我只有时间聊聊我自己的一些心得。

这两篇文章中的jamming跟胶体体系的jamming是两回事。前者是指交通堵塞,属于self-propelled体系的性质。但我由于正在做particle tracking的研究,所以对这种离散体系的现象都会关注一下。尤其是想向各类体系的研究学习如何量化一个现象或体系的一种行为,得到物理上的结论。

一个物理体系或者过程,不同的研究者在实验室重现的结果都会有些区别。属于误差的部分,我们就不关心了,这些都属于物理上的不理想性。但有些区别是来自于不同研究者的知识背景和研究意图的,有些区别则是来自特定实验室的长处或者限制的。我觉得这些区别值得重视。打个比方,胶体悬浮液不同浓度和粒子相互作用的体系性质大致都已经了解,但有一位研究者由于其研究背景的惯性或特殊目的,研究相互作用极强,或者特殊悬浮介质的情况。原本该研究者没什么原创性的打算,准备按照胶体的一般物理模型大致套一套,却发现完全无法理解自己的实验结果,于是不得不重新分析,得出了一个特殊情况的模型。这种为了认识自己想要认识的特定问题而“被迫”作出的原创性工作,应该才是所谓“创新”的常规性来源,也是我从自己有限的研究经历的体会。因为,以我的资质,从选题上就能做到横空出世,进行源头创新,比较困难。我也不是那种一天到晚苦思冥想怎样标新立异的性格,所以我虽然是材料学院出身,但实在不适应功能材料研究,越做越靠物理的缘故。更多的时候,我都是从我的实验中发现了查文献无法很好地回答的小现象,它也许很次要,在大物理学家眼中属于非常trivial的问题,但当时作为学生这是我提出猜想(hypothesis),进行简单推理,然后实验验证的练习机会,也是考验我各方面基本功的机会,所以我特别喜欢钻这些问题。

有时,你看的物理过程是很多人报导过的。但是你亲自做这个实验,就会觉得原始数据中的信息远比你从论文看到的要丰富得多。论文往往都抓住最重要的特征进行抽象和量化。你只看论文,就以为这个物理现象除了这件事就没别的事了。亲自看了原始现象,你往往会被另一些报道很少关注的特征所吸引。这时,如何量化这些特殊的行为特征,你没有范例,不能“照着别人发表的论文来做”。到底Fig. 1是什么物理量,Fig. 2又推导出什么物理量,怎样能够深入地分析,以达到要用三到五个figure的深度?归根结底就是做这三件事:找纵坐标、找横坐标和求导。这个量化的过程,是一个数学分析的基本功。所以,现在我看论文,都想从其他领域的研究中学习这方面的经验。

References

  1. A. John, A. Schadschneider, D. Chowdhury, and K. Nishinari, "Trafficlike Collective Movement of Ants on Trails: Absence of a Jammed Phase", Physical Review Letters, vol. 102, 2009. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.108001
  2. D. Chaudhuri, and A. Nagar, "Absence of jamming in ant trails: Feedback control of self-propulsion and noise", Physical Review E, vol. 91, 2015. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevE.91.012706