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“微流变”术语史

“微流变”(microrheology)在最近几年的文献中是专指III. 通过胶体粒子的热运动统计规律反推悬浮介质的流变性质的一种实验研究。这也是我现在研究方向之一。但是,这个术语最早的意义跟现在有些区别。

根据我查到的结果,“microrheology”一词最早出现在M. Reiner的流变学讲义(Markus Reiner (1943), Ten Lectures on Theoretical Rheology, Rubin Mass)中的第七讲。这个套讲义后来分别在1949年和1960年出了第二和第三版。第三版有中译本:M. 雷讷著,郭有中等译《理论流变学讲义》,由科学出版社于1965出版。在当时这个词大概是指I. 从微观结构推出宏观系统流变学性质的理论研究,似乎是用于与基于连续介质假定的理论相区别。后者被称作“macrorheology”。

大概相同的时期,胶体粒子悬浮液流变学的先驱Stanley G. Mason(1914-1987)大量使用这个词来描述他研究的问题。关于Mason经历的一些资料可见他的自述[1]和后辈写的appreciation[2]。Mason在1950年代就开始正式研究悬浮粒子的流体动力学。他创立的研究方法是II. 通过实验观察粒子周围的流场来验证流体动力学理论。因此,到了Mason这里,“microrheology”的意义就从理论模型变为实验手段。Mason也推导过胶体流变学理论,但他和他的学生不用“microrheology”一词描蒁这些理论工作。

Mason的及其学生的后续工作一直持续到1970年代。在这段时间,“microrheology”一词几乎只出现在他们发表的工作当中。也有零星愿意使用Reiner讲义的老意义的论文[3],包括冯元桢先生[4]。1970年代,“microrheology”一词被血液流变学领域大量采用,这也仍是归因于Mason的工作对这一领域的影响力[5]

我能找到的第一个意义变成现在的第III种的最早论文是1985年的一篇论文[6]

与“microrheology”一词十分相关的还有“microviscosity”。这个词反而最早就达到了今天对microrheology应该达到的理解。在1929年的第一届美国流变学年会上,E. Kraemer & R. Williamson[7]区分了几个层次的“摩擦”(friction)。一是宏观体系的粘度,二是粒子与周围流场界面处的摩擦,三是粒子形变的内部摩擦。“microviscosity”指的就是在IV. 微观尺度下的粘度——它常常与宏观尺度下对同一系统测得的粘度明显不同[8]。这件事早在“胶体”(colloid)一词的杜撰者Thomas Graham在1861年的研究中就发现了。盐在明胶或琼脂凝胶中的扩散比少慢不了多少,但前者的粘度比水高好几个数量级[9]。因此这令人相信,微观尺度物体感受到的液体的粘度是跟宏观测量值不同的。具体在这一实验现象中,研究者甚至是通过扩散的效果来理解粘度。这是在Einstein–Stokes关系的理论基础上的认识角度,把实验结果关于Einstein–Stokes关系的偏离当作粘度不同。今天我们还有另一种做法,那就是把实验结果关于Einstein–Stokes关系的偏离当作半径不同,定义出“流体动力学半径”。这两咱做法的人之间很少看到有交叉的,更别说有人去reconcile这两者。这可能是由于实验方法不同。一派人测量宏观系统的粘度,和分子的扩散系数。由于分子结构是明确的,这派人是不会怀疑分子还有另一种“半径”。另一派人用动态光散射测胶体粒子在悬浮液中或聚合物在溶液中的半径,并与电子显微镜或角度依赖散射的结果(均方回转半径)相比较。特别是对于聚合物试样,由于其分子尺寸只有平均概念,在溶液中的平均尺寸还受溶剂溶质相互作用以及流体动力学相互作用的影响。而扩散系数被隐含在动态光散射的基本原理当中。

References

  1. S.G. Mason, "How I became interested in colloid science", Journal of Colloid and Interface Science, vol. 71, pp. 8-10, 1979. http://dx.doi.org/10.1016/0021-9797(79)90214-5
  2. H.L. Goldsmith, and D.A. Goring, "Stanley G. Mason: An appreciation", Journal of Colloid and Interface Science, vol. 71, pp. 1-7, 1979. http://dx.doi.org/10.1016/0021-9797(79)90213-3
  3. L. Dintenfass, "Micro-rheology of pigment dispersion by “ball-milling” in non-aqueous media", Kolloid-Zeitschrift, vol. 170, pp. 1-19, 1960. http://dx.doi.org/10.1007/BF01520066
  4. Y. Fung, "Microrheology and constitutive equation of soft tissue", Biorheology, vol. 25, pp. 261-270, 1988. http://dx.doi.org/10.3233/BIR-1988-251-235
  5. H.L. Goldsmith, "Stanley Mason: His contribution to the science of Biorheology", Biorheology, vol. 26, pp. 99-107, 1989. http://dx.doi.org/10.3233/BIR-1989-26202
  6. J. Stoltz, and M. Donner, "Fluorescence polarization applied to cellular microrheology", Biorheology, vol. 22, pp. 227-247, 1985. http://dx.doi.org/10.3233/BIR-1985-22307
  7. E.O. Kraemer, and R.V. Williamson, "Internal Friction and the Structure of “Solvated” Colloids", Journal of Rheology, vol. 1, pp. 76-92, 1929. http://dx.doi.org/10.1122/1.2116295
  8. E.O. Kraemer, and G.R. Sears, "Viscosity and Adsorption in Colloidal Solutions", Journal of Rheology, vol. 2, pp. 292-306, 1931. http://dx.doi.org/10.1122/1.2116382
  9. T. Graham, "X. Liquid diffusion applied to analysis", Philosophical Transactions of the Royal Society of London, pp. 183-224, 1861. http://dx.doi.org/10.1098/rstl.1861.0011