流變學(xué)與力學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、醫(yī)學(xué)、建筑學(xué)等學(xué)科緊密相關(guān),其基本理論和實(shí)驗方法廣泛應(yīng)用于橡膠、塑料、金屬、巖土、石油等體系。食品工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、航空航天、國防工業(yè)、石油工業(yè)以及土木工程等領(lǐng)域的快速發(fā)展,對流變學(xué)有著指向性需求。
無論其存在或使用狀態(tài)是液體(如涂料、油漆、驅(qū)油劑),還是固體(如塑料、纖維、橡膠),絕大部分高分子材料的制備加工都是在溶液或熔融狀態(tài)下進(jìn)行的,流動和形變是最主要的科學(xué)問題。另外,外場作用下高分子材料的黏彈性弛豫 (viscoelastic relaxation)行為與性能演變密切關(guān)聯(lián)。流變學(xué)不僅可指導(dǎo)加工,也是研究高分子結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的重要的、有效的方法。若將“流”看作外場給予物質(zhì)的刺激,將“變”看作外場作用的歷史或快慢,無疑是對流變學(xué)理解和認(rèn)識的深化。由此,可補(bǔ)充定義:流變學(xué)是研究材料由外場刺激(方式和過程)所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)演化和性能變化的科學(xué)。
這樣的理念不僅可深化對流變學(xué)內(nèi)涵的認(rèn)識,更有利于從多維度認(rèn)識物質(zhì)特征。例如:怎樣界定材料是固體還是液體?流變學(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為,材料的形態(tài)和性質(zhì)取決于外場作用(觀察)時間的長短或作用的速率:作用(觀察)時間無窮短,或速率無窮快,材料呈固體;相反,則為液體。所謂的硬材料、軟物質(zhì)(soft matter),均是物質(zhì)在有限時間維度或一定外場作用速率下(往往指人眼可視)所呈現(xiàn)的形態(tài)。由此可解釋:
①快速小切角向河面拋擲瓦片,為何瓦片能在水面飛?這是因為這種瞬時剪切作用下,水表現(xiàn)出固體的回彈特性;
②歐洲一些500年以上老教堂的窗戶上的玻璃,為何下部比上部明顯要厚?這是緣于在如此漫長的時間內(nèi),貌似固體的玻璃在重力作用下緩慢地向下“流動”,呈現(xiàn)出“類液”行為。
就流變學(xué)研究對象而言,人們對高分子“情有獨(dú)鐘”。這是因為:基本上唯有高分子在有限時間范圍存在可視的力學(xué)弛豫譜(relaxation spectrum),呈現(xiàn)豐富的硬-軟材料性質(zhì)以及奇特的流變現(xiàn)象。單就動態(tài)流變學(xué)方法而言,在長時間(低頻率)區(qū)域的測試數(shù)據(jù),能靈敏地反映高分子無序-有序轉(zhuǎn)變等多層次形態(tài)結(jié)構(gòu)信息,如化學(xué)交聯(lián)(chemical crosslinking)、相分離(phase separation)、粒子聚集(particle aggregation)、網(wǎng)絡(luò)形成(network formation)、凝膠作用(gelation)。著眼更大的空間,我們發(fā)現(xiàn),流變學(xué)無處不在:礦山坍塌和道路塌陷,是巖石和土壤應(yīng)力集中和蠕變積累的結(jié)果,屬巖土流變學(xué)(rheology of rock and soil)范疇;人類關(guān)節(jié)疾病,許多涉及軟組織凝膠潤滑與摩擦以及關(guān)節(jié)應(yīng)力狀態(tài),屬生物流變學(xué)(biorheology)范疇;高血壓和腦血栓,多與血液黏稠度增高以及由此導(dǎo)致的血液流動受阻有關(guān),屬血液流變學(xué)(hemorheology)范疇。顯然,對高分子而言,怎樣強(qiáng)調(diào)流變學(xué)的重要,似乎不為過。對流變學(xué)而言,說高分子流變學(xué)占據(jù)半壁江山,好像也未有夸張。
我工作和生活中的許多專長和樂趣,恰恰得益于流變學(xué)的啟發(fā):如打乒乓球時,其攻球殺傷力在很大程度上并非依賴于擊拍力量,而是靠揮拍速度;如唱男高音時,要控制氣息的穩(wěn)定流動及對聲帶的沖擊(強(qiáng)度);又如習(xí)修書法時,筆畫的厚重與飽滿取決于筆尖對宣紙的剪切應(yīng)力,筆畫中出現(xiàn)的“飛白”取決于毛筆與宣紙的剪切速率;再如我給學(xué)生演講之所以有好的效果,是因為能從流變學(xué)的長時演變維度客觀看待事物的傳承與變遷,能從高分子硬-軟互變的視角釋析社會問題的驟緊與松緩。