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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。

应变硬化的粘弹性模型

最近我在找一些能描述应变硬化的粘弹性模型来模拟具有这种性质样品的LAOS的行为。找到很多以前用来描述橡胶拉伸的模型,它们都是纯弹性的。而我的样品有一定的迟滞,因此我就简单地给这些模型加上一个牛顿粘壶拉倒了。以下是一个小小的总结。

睡了又醒流变学

上午组会报了个告,下午毕业生唱K,回实验室又与领导促漆长谈。回家用探热针怎么量都超不过37.5&degC,开玩笑?洗完澡两个未接电话,陶老板叫我不是别的还是唱K……结果没刷牙口很臭,下次见面先自罚三杯嗽口!

辗转反侧睡不着,脑子里想的是流变学。流变学搞多了,我想唱K;K唱够了,我又想流变学,还是爬起来瞎逼逼几句吧。

鄙人目前的一点肤浅认识:一直以来的流变学研究有两个分野,一是流体力学,抱着连续介质(continuum)的观点,具体是低雷诺数条件的非牛顿流体;二是物理化学,具体从流变学研究的主流对象来讲主要是(非平衡)软凝聚态物理。现在的流变学,任务是要统一这两个分野。

早就有流体力学,早就有物理化学,干嘛还要流变学?那是因为要处理非牛顿流体和复杂流体,二者是“一个机构两块牌子”,讲流体力学时用前者,讲结构时用后者。由于东西是同一件东西,但是从两个角度去研究都各有难度(当初),所以从同一件东西出发,独立出流变学来;但从方法上,长期以来形成了两个分野。还有就是目的不一样,做流体力学的,对加工的指导意义很大,跟工科接轨;做软凝聚态物理的完全是science。

流变学家的圈子有“重视学科建设”的传统,本来是很窄的圈子,但是各国的流变学会很多,而且交流很密切。早期的流变学大牛都很“文艺”,“panta rhei”、“Deborah数”,还有Scott-Blair业余写过的小书,还思考到时空和认知学去了。而且也经常整理流变学发展史。科学网上郑融老师就显著体现了流变学家的性格。这就使得流体力学和软凝聚态物理这两种不同的分野长期在流变学的帽子下共存。做前者的老是想着后者,反之亦然。不然的话,爱研究统计力学的,搞非平衡大可以去做扩散,外场也有声光电磁可选,何苦要引入流场?做流体力学的,大可以在流道geometry上做文章来去CFD一下,何苦守着小幅振荡搞什么时温叠加?发展久了,“传统流变学”似乎渐渐局限在很狭窄的甚至是很古怪的兴趣范围之内,其实是“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。

做结构的如果想要结合本构方程,解释宏观的应力应变关系(或反从通过研究应力应变关系来探测结构),中间环节往往要依靠no-slip、homogeneous、incompressible等理想假设,但实验发现这些假设常常并不满足,此其一。其二,非平衡态统计力学写在教科书上的是布朗运动、高斯分布;要么是得近平衡(near-equilibrium),讲线性响应,要么是得无外场(stochastic)才能谈动力学(kinetics)——也许是我看的教科书过于陈旧吧,喜欢老书。但是复杂流体往往很容易显示出非线性响应,进入所谓的“大应变”区域;流场不但不可忽略(不stochastic),还往往有流场诱导结构生成;很多“复杂流体”实际上是“远离平衡态”(far-from-equilibrium)——这其实无非历史悠久的流变学概念“触变性”(thixotropy)和“反触变性”(anti-~)。换句话说,结构决定流场,流场又反过来改变结构。流体力学上的和统计物理上的双重非理想性,使得对于复杂流体想要从结构直接做到本构方程这一目标成了“共产主义”,现在还是面对现实,退一万步,先把“社会主义”这个中间环节搞好吧。

所以现在大家就会发现,流变学的主战场从锥板转向剪切池、从流变仪转向显微镜和散射仪上了。“结构-性能关系”仍然是永恒的主题,但具体到今天,如果你从粒子的运动和相互作用这一“结构”开始,你的性能暂时是“流场”;如果你想“性能”仍然是应力应变关系,你的“结构”最好从流场开始。所以现在有散射有显微镜的,就给它加上剪切池;有流变仪的,就给它加上散射或显微镜。有流变学前辈说“传统流变学走到非线性这一步就算终结了”,我觉得,说“终结”可以,说“共产主义”也可以,咱和谐一点、发扬革命乐观主义精神,还是坚持“共产主义”理想吧!不然像小弟这种子孙后代该何去何从……