動(dòng)地經(jīng)天物不傷，高情逸韻住何方？
扶持燕雀連天去，斷送楊花盡日狂。
繞桂月明過萬戶，弄帆晴晚渡三湘。
孤云雖是無心物，借便吹教到帝鄉(xiāng)。

這是唐朝詩人崔涯一首題為《詠春風(fēng)》的七律。現(xiàn)在，春風(fēng)正吹拂在科學(xué)網(wǎng)上，迎來了俊明的“漲落初春”，燕清的“ 蝶舞晴川”，昌鳳“春夢”里的駱駝，鐘炳“一任從容”的山光水色，湯薇的“樓外柳煙”，也吹開綏陽的“滿庭芳”和“碧桃”，清水直人和建良“秀色芳香一瞬妍”的四月櫻花……

結(jié)構(gòu)主義的學(xué)說認(rèn)為世上許多不同的事物存在類似的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，科學(xué)網(wǎng)博主和網(wǎng)友們，此時(shí)此際，也許會(huì)想到春風(fēng)和科學(xué)的某些共性?？茖W(xué)也如春風(fēng)，有起源，有路徑，有方向，有影響?？茖W(xué)是科學(xué)工作者內(nèi)心智慧的表現(xiàn)?？茖W(xué)家從事研究，原本是受好奇心的驅(qū)使，沒有什么功利目的，然而科學(xué)研究的成果卻可以有很大的實(shí)用價(jià)值。猶如春風(fēng)本無心，卻能夠“扶持燕雀連天去，斷送楊花盡日狂。繞桂月明過萬戶，弄帆晴晚渡三湘”。這就是為什么十七世紀(jì)的學(xué)者如培根和笛卡爾會(huì)認(rèn)為，雖然科學(xué)仍然在尋求對事物的原因的理解，但它不是僅僅是為了給我們愉快或滿足我們的好奇心，而且要使自然轉(zhuǎn)而為我們工作。因此，實(shí)用的需要，反過來可以制約和影響科學(xué)研究的范圍和方向。這句話未必對自然科學(xué)的所有學(xué)科都成立，但至少，流變學(xué)是這樣的。

什么是流變學(xué)？按照流變學(xué)創(chuàng)始人Bingham的定義，“流變學(xué)是研究材料變形和流動(dòng)的科學(xué)”。不過這個(gè)定義有點(diǎn)過分“動(dòng)地經(jīng)天”了，有把經(jīng)典固體力學(xué)和流體力學(xué)都收歸麾下之嫌。實(shí)際上，流變學(xué)家的研究對象主要是那些使用古典彈性理論、塑性理論和牛頓流體理論不能描述其復(fù)雜力學(xué)特性的材料。他們感興趣的材料，在一定條件下(比如說，當(dāng)過程相對于材料的松弛時(shí)間進(jìn)行得比較緩慢時(shí))能夠流動(dòng)，因而可以看作是流體，在特定條件下(過程進(jìn)行很快的情況)又表現(xiàn)出固體的特征，例如能夠反彈。作為流體時(shí)，其粘度不與形變率成正比。這類材料，通稱為非牛頓流體。Tanner[1]認(rèn)為流變學(xué)是跨越“高分子科學(xué)”、“材料科學(xué)”和“應(yīng)用力學(xué)”的邊緣學(xué)科(見圖1)。他把高分子科學(xué)從材料科學(xué)中獨(dú)立出來三分天下有其一，是有道理的，因?yàn)樽?929年流變學(xué)創(chuàng)建以來，在四十年代得以迅速發(fā)展，與二戰(zhàn)期間對塑料和橡膠等高分子材料的工業(yè)需求密切相關(guān)。Tanner還提出，流變學(xué)的主要目標(biāo)在于：(1)在從微觀到宏觀的多尺度上了解材料的特性；(2)建立附合實(shí)際的介觀和宏觀的本構(gòu)模型，并且進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；(3)發(fā)展可靠的經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)方法和計(jì)算方法來應(yīng)用這些知識。

Denn[2]在一篇題為“非牛頓流體動(dòng)力學(xué)五十年”(Fifty Years of  Non-Newtonian Fluid Dymamics)的文章中綜述了四十年代以來流變學(xué)的進(jìn)展。該綜述共提到了九個(gè)方面的工作和進(jìn)展，包括非線性流體、彈性數(shù)(表征慣性和彈性相對主導(dǎo)作用的的無量綱數(shù))、湍流減阻、熔體細(xì)絲破裂、入口收斂流動(dòng)、流動(dòng)不穩(wěn)定性、壁面滑移、接觸表面粘結(jié)破壞和空化現(xiàn)象、以及各向異性流體。

50年來，流變學(xué)逐漸偏離傳統(tǒng)力學(xué)的軌道而形成了自己的特色。例如，在本構(gòu)方程方面，連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法已經(jīng)讓位給微結(jié)構(gòu)方法(microstructural approaches)。在微結(jié)構(gòu)方法中，六、七十年代最受關(guān)注的是建立在Green-Tobolsky-Lodge網(wǎng)絡(luò)模型基礎(chǔ)上的本構(gòu)方程，而目前，de Gennes-Doi-Edwards的蠕動(dòng)模型吸引更多的目光。后者基于對分子鏈運(yùn)動(dòng)的少量基本假設(shè)，可以解釋許多實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象。

要把流變學(xué)的知識應(yīng)用于實(shí)際，離不開數(shù)值計(jì)算這一工具，因此，非牛頓流體力學(xué)的計(jì)算方法，也是流變學(xué)一個(gè)很獨(dú)特的發(fā)展領(lǐng)域。前二十年，有一個(gè)“高Weissenberg數(shù)問題”，成為對非牛頓流體力學(xué)計(jì)算方法的一個(gè)嚴(yán)重挑戰(zhàn)。所謂Weissenberg數(shù)，是表征流動(dòng)中粘彈性行為的一個(gè)無量綱參數(shù)，定義為流體松弛時(shí)間和應(yīng)變速率的乘積。人們在使用某些本構(gòu)方程例如Maxwell模型來解復(fù)雜流動(dòng)(“復(fù)雜流動(dòng)”是指既有拉伸成分又有剪切成分的流動(dòng))問題時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)趨近某個(gè)Weissenberg數(shù)時(shí)，數(shù)值計(jì)算突然發(fā)散。這里涉及的問題很多，例如本構(gòu)方程本身包含奇點(diǎn)，偏微分方程組在高Weissenberg數(shù)下變型，流動(dòng)邊界層過薄，以及數(shù)值方法本身的不穩(wěn)定。近來，隨著本構(gòu)方程和數(shù)值方法的改進(jìn)，“高Weissenberg數(shù)問題”已經(jīng)不是一個(gè)很嚴(yán)重的問題了，雖然還有人在繼續(xù)研究。今后，數(shù)值模擬可能側(cè)重于加工成型中復(fù)雜體系多尺度結(jié)構(gòu)的變化及其對被加工產(chǎn)品的宏觀性能的影響。

由于復(fù)合材料在工業(yè)中日益廣泛的應(yīng)用，懸浮液流變學(xué)也引起越來越多的注意。Tanner對第4屆國際流變學(xué)會(huì)議(1963年)和第13屆國際流變學(xué)會(huì)議(2000年)的會(huì)議論文做了統(tǒng)計(jì)比較，發(fā)現(xiàn)在1963年的會(huì)議上，有關(guān)懸浮液的論文占全部論文總數(shù)的7%，而在2000年的會(huì)議上，有關(guān)懸浮液的論文占全部論文總數(shù)的16%，增加了9%。最典型的懸浮液是非球體顆粒的懸浮液，由于非球體顆粒在流動(dòng)中的取向效應(yīng)，這種流體表現(xiàn)出各向異性的行為。對非球體顆粒的懸浮液的研究，有重要的工業(yè)應(yīng)用背景，例如短玻璃纖維增強(qiáng)高聚物的加工過程，就可以用非球體顆粒的懸浮液的流動(dòng)來模擬。只是，早期的理論研究假設(shè)懸浮液的濃度很小，顆粒之間在流動(dòng)中互相不干擾，這和工業(yè)應(yīng)用的實(shí)際情況相去甚遠(yuǎn)。比較實(shí)用的模型是由Tucker和他的學(xué)生們提出來的[3]，他們假定顆粒之間的相互作用是隨機(jī)的，通過引進(jìn)一個(gè)各向同性的擴(kuò)散項(xiàng)來模擬隨機(jī)干擾的效果，Phan-Thian及其合作者[4,5,6]把Tucker等的工作進(jìn)一步推廣到各向異性的擴(kuò)散項(xiàng)，并用于模擬短玻璃纖維增強(qiáng)高聚物熔體的充模流動(dòng)。

公元2009年3月27日，南京大學(xué)劉俊明教授從滴答滴答的雨聲中悟出了一些人生的和科學(xué)的道理。無獨(dú)有偶，上世紀(jì)40年代，英國科學(xué)家Evans看到雨點(diǎn)落在池塘里，從服從泊松分布的落點(diǎn)和層層擴(kuò)大的水圈，聯(lián)想到結(jié)晶過程中的成核和生長現(xiàn)象，于是一個(gè)以Evans命名的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)理論問世了。不僅金屬存在結(jié)晶現(xiàn)象，有一些高分子材料也會(huì)在一定條件下從無規(guī)形態(tài)轉(zhuǎn)變成有規(guī)則的結(jié)晶形態(tài)。這并不是流變學(xué)者最早進(jìn)行研究的，但是，當(dāng)研究深入到考慮流動(dòng)對結(jié)晶速度和構(gòu)形的影響的時(shí)候，流變學(xué)當(dāng)仁不讓地把這個(gè)稱為流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)晶的現(xiàn)象作為自己的研究范疇[7，8]。幾乎所有的高分子材料成型加工都是非等溫的流動(dòng)過程，而且包含著液固兩相的變化。溫度變化和流動(dòng)變形影響材料的結(jié)晶，而材料的結(jié)晶反過來又影響流動(dòng)行為和固化過程，并決定了產(chǎn)品的力學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)性能。毫無疑問，流動(dòng)誘導(dǎo)結(jié)晶將繼續(xù)是流變學(xué)的熱門課題之一。

近年來，物理學(xué)和材料科學(xué)的朋友們紛紛向生物領(lǐng)域滲透，流變學(xué)界也有一些人率先吃這只螃蟹(或蜘蛛？)了。一些生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)是通過在微米級通道中對流體及微粒的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制來進(jìn)行的，因而激勵(lì)了三個(gè)領(lǐng)域的研究：(1)發(fā)展制作微流體系統(tǒng)的新方法；(2)發(fā)明組合成復(fù)雜微流設(shè)備構(gòu)件；(3)研究流體在微小通道中的流動(dòng)行為。雖然這三者自身都可以建立獨(dú)立的課題，但離開了第三個(gè)領(lǐng)域，前二者是難以發(fā)展的，又由于多數(shù)生物流體是非牛頓流體，這就給了流變學(xué)向生物學(xué)獻(xiàn)上一朵玫瑰花的機(jī)會(huì)。

這些年來，我們看到流變學(xué)這股春風(fēng)吹開了大大小小的花朵，也看到了它在某些領(lǐng)域的碰壁和衰退，更注意到了風(fēng)向隨著時(shí)代的進(jìn)步而改變。高情逸韻住何方？這是從事和流變學(xué)有關(guān)的研究工作者時(shí)時(shí)要考慮的問題。

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