PDF《“倾酒杯空,倒油迟滞”》

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2012 年7月20 日 星期五 Tel押(010)

62569455 主编: 张其瑶 校对: 么辰 E-mail押qyzhang@stimes.

cn 标题中的 倾酒杯空, 倒油迟滞 , 引自科学 网博主郑中老师的一篇译诗.关于这首诗, 后面 会谈到.我们先来说说流变学的一个重要概念 粘度. 粘度这个概念来自人们日常生活的经验. 下过厨房的人都知道花生油比醋 粘稠 .粘度 的科学定义则始于牛顿.1687 年, 也就是虎克发 表了弹性定律

9 年之后, 牛顿在 《自然哲学的数 学原理》 (Principia)一书中发表了他研究稳态剪 切流动的结果.用现在的话来说就是, 剪切应力 和剪切速率成正比,这个比例常数便称为 粘度 .凡是服从牛顿所描述的规律的流体, 我们 叫它牛顿流体. 牛顿流体的粘度是材料的性质.不同的流 体通常有不同的粘度 (当然也有可能相同) , 但 是为什么呢?这是当代结构流变学的一个课 题, 其实两千多年前就有人在思考这个问题并 给出一个大体上不离谱的答案.这人便是古罗 马哲学家和诗人 Lucretius (Titus Lucretius Carus, 提图斯・卢克莱修・卡鲁斯,公元前99 ~55 年) .Lucretius 相信物质由 基本粒子 组成.他 用拉 丁 文写 了 一部 长诗 De Rerum Natura, 英 文通常译作 On the Nature of Things, 中文熟知 的译名是 《物性论》 .全诗洋洋数千行, 其中有 这么几句: We see how quickly through the colander The wines will flow;

on the other hand, The sluggish olive-oil delays;

no doubt, Because '

tis wrought of elements more large Or else more crook'

d and entangled. (转引自 Tanner 和Walters 合著的 Rheolo- gy: An Historical Perspective) 这段诗, 科学网博主郑中老师的译文是: 如倾酒杯空, 倒油迟滞. 沸水滚滚, 面团柔柔. 精哉, 型式有别. (http://blog.sciencenet. cn/blog-289142-278361.html ) 郑中老师用楚辞体翻译了全诗,大气磅礴, 诗意盎然.此处大体属于意译,兼顾了信、达、 雅.但为了保留细节, 我们不妨试着直译一遍: 你看, 酒浆流过漏勺何等畅快, 而橄榄油却拖拖沓沓似有滞碍, 想必是构成它的基本粒子较大, 要不然就是弯弯曲曲纠缠不开. Lucretius 的观点, 在今天看来, 固然有不少 不正确之处, 但一个两千年前的诗人, 就认识到 材料的宏观流动行为取决于其微观物质微粒的 大小及其形态, 是令人惊叹的. 我们如今把能单独存在、 并保持纯物质的化 学性质的最小粒子称为分子.粘度和分子大小 的关系, 从Lucretius 的时代算起, 经过了将近两 千年,才在

1905 年被爱因斯坦在其博士论文中 用理论方法证明了.爱因斯坦把经典的流体动 力学和扩散理论相结合,推导出溶液的粘度和 溶质的分子大小之间的定量关系,创造了从流 动现象来测定分子大小的方法.他的这篇论文 和同年他发表的另一篇关于布朗运动的论文, 为结构流变学提供了重要的思路. 流变学最感兴趣的材料是高分子材料.高 分子材料的性质既不同于虎克的弹性固体, 也 不同于纯粘性的牛顿流体, 我们通常要用 粘弹 性 来描述.流变学者们认为高分子之间的缠结 是高分子材料粘弹性行为的原因,并据此发展 了网络模型和管式蠕动模型.这又让人想起了 Lucretius 诗歌里所描述的 crook'

d and entan- gled (弯弯曲曲纠缠不开) 的图像. (http://blog.sciencenet.cn/u/RongZheng) [9]刘俊明 粘度的概念规范了牛顿流体的基本关系, 但 遗憾的是牛顿流体本身很少,就像经典力学一 般, 牛顿力学是一种无限趋近.经典物理学甚至 量子物理学有很多概念被古贤定义时轻而易 举,但后人必须花费大量投入来研究这些概念 与过程的关系,且这些关系变成是非线性和严 重被调制的. 从这个意义上, 粘度是表象的物理, 神奇而 难以捉摸,就像物质的介电极化率与磁导率一 般. 粘度本身远没有博主的文章那样让人感动, 而粘度背后的故事却是博主对物理的高度阐 释.谢谢! 博主回复: 说得精辟!先贤为我们提供了一 个答案或定义了一个概念,而在这答案或定义 后面藏着更多的几乎是没完没了的新问题. [6]钟炳 诗人的洞察力有时是令人惊叹的. 博主回复: 是啊, 喜爱科学的诗人或具有诗 人气质的科学家,好像更容易有不同凡响的洞 察力. [4]陈湘明 高分子的流变是美丽的, 金属的塑性变形是 美妙的,陶瓷的宁折不弯则是可爱的. 博主回复: 能感受到材料和材性之美的科学 家是有福的. [2]loujinshan 请问: 粘度的单位是什么?又怎么测定? 博主回复:粘度的单位,在SI 单位制中是 Pa.s. 粘度测量可分为稳态流动测量和动态流动 测量两类.前者通常是利用仪器产生稳态等温 的简单剪切流场或圆管内压力驱动流场,切变 速率可以从已知流场得到.测量作用于流场上 的力或力矩, 从而获得应力, 便可算出粘度.常 用仪器包括旋转型 (如锥―板式、 平行板式或同 轴圆筒式) 流变仪和毛细管流变仪.还有一种仪 器叫落球粘度计,只适用于测定粘度较高的牛 顿流体的剪切粘度,或极低切变速率下的非牛 顿流体的剪切粘度.动态测量则是用仪器使样 品产生正弦应变, 并记录流体形变产生的应力, 经过数据处理可得到动态粘度和动态模量.常 用动态测量仪器包括锥―板式、偏心平行板式 和同轴圆筒式. 流变测量学是一个发展中的研究领域, 新的 技术不断出现.上面的简介是比较传统的方法. 科研 ing 科技创新是摆在所有科研人员面前的使命 或者任务, 口号叫得响, 实际工作中创新却很少, 因为我们不知道创新来源于何处.脱离现实中应 用的牵引, 科学家为了创新而创新, 就是 何不食 肉糜 的晋惠帝.这样的创新要么不值得研究, 要 么就是追随国外动态, 作些局部改进, 难得有价 值的原始创新. 我们课题组研究溶胶凝胶法镀光学薄膜十 几年了, 由于薄膜应用环境的不断改变和对薄膜 性能要求的不断提高,新的研究内容不断出现, 所以我们的制作方法也不断创新.举个例子, 制 备高反膜需要将高折射率和低折射率两种膜层 交替镀膜, 二者的折射率相差越大, 则需要镀的 膜层数越少,这样膜层界面间的应力累积就越 少, 膜层开裂的可能性越小, 高反膜制作的难度 就会下降.常用的高折射率材料为氧化钛、 氧化 锆、 氧化铪.氧化钛光学带隙窄, 在激光作用下容 易发生三光子吸收, 因此激光损伤阈值不高.氧 化铪的光学性质非常合适,但有机铪原料昂贵、 有毒, 制作成本太高.剩下氧化锆是最应该考虑 的, 但从有机锆醇盐水解出发, 一般只能得到含 有非晶态氧化锆颗粒的溶胶, 这样的溶胶镀膜后 折射率只有 1.6 左右,与低折射率的氧化硅层交 替镀高反膜, 需要

25 层以上, 而想得到结晶的氧 化锆膜, 一般要通过

400 度以上焙烧, 但多层膜 不能这样焙烧, 怎么办?最好是制备出的氧化锆 溶胶就含有结晶氧化锆颗粒 (我称为纳米晶溶 胶) , 这样得到的薄膜自然折射率就高.纳米晶氧 化锆粉体的制作方法有很多种, 但稳定的纳米晶 氧化锆溶胶就很难制备.我们尝试了很长时间, 终于成功制备了氧化锆纳米晶溶胶, 并获得折射 率大于 1.9 的氧化锆膜 (不需焙烧) , 以此镀高反 膜, 只需要 15~17 层, 大大降低了溶胶凝胶法制 备高反膜的难度.我认为, 这就是实际应用需求 所推动的创新. 企业是创新的源动力. 这话不假, 但我国的 企业仍然热心于山寨别人的先进技术,缺乏长 远发展眼光,造成短视的科技观念,这极大阻 碍了创新.在我做访问学者期间,我觉得国外 很多教授的实验室装备比不上中国很多课题 组,但人家的工作就是做得更创新,我觉得原 因主要在于他们与企业结合紧密.在我们国 家,很多单位非常重视国家级的项目,轻视企 业项目 (除非企业给很多钱) , 在个人职称晋升 等方面,也是国家项目比企业重要得多,这样 实际上主动排斥了可以带来创新性研究的机 会.就拿锂电池来说,国外大多数是企业在支 持大学教授的研........