流變學與力學、化學、材料學、醫學、建筑學等學科緊密相關,其基本理論和實驗方法廣泛應用于橡膠、塑料、金屬、巖土、石油等體系。食品工業、生物醫學、航空航天、國防工業、石油工業以及土木工程等領域的快速發展,對流變學有著指向性需求。
無論其存在或使用狀態是液體(如涂料、油漆、驅油劑),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下進行的,流動和形變是最主要的科學問題。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聯。流變學不僅可指導加工,也是研究高分子結構-性能關系的重要的、有效的方法。若將“流”看作外場給予物質的刺激,將“變”看作外場作用的歷史或快慢,無疑是對流變學理解和認識的深化。由此,可補充定義:流變學是研究材料由外場刺激(方式和過程)所導致的結構演化和性能變化的科學。
這樣的理念不僅可深化對流變學內涵的認識,更有利于從多維度認識物質特征。例如:怎樣界定材料是固體還是液體?流變學觀點認為,材料的形態和性質取決于外場作用(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(soft matter),均是物質在有限時間維度或一定外場作用速率下(往往指人眼可視)所呈現的形態。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,貌似固體的玻璃在重力作用下緩慢地向下“流動”,呈現出“類液”行為。
就流變學研究對象而言,人們對高分子“情有獨鐘”。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弛豫譜(relaxation spectrum),呈現豐富的硬-軟材料性質以及奇特的流變現象。單就動態流變學方法而言,在長時間(低頻率)區域的測試數據,能靈敏地反映高分子無序-有序轉變等多層次形態結構信息,如化學交聯(chemical crosslinking)、相分離(phase separation)、粒子聚集(particle aggregation)、網絡形成(network formation)、凝膠作用(gelation)。著眼更大的空間,我們發現,流變學無處不在:礦山坍塌和道路塌陷,是巖石和土壤應力集中和蠕變積累的結果,屬巖土流變學(rheology of rock and soil)范疇;人類關節疾病,許多涉及軟組織凝膠潤滑與摩擦以及關節應力狀態,屬生物流變學(biorheology)范疇;高血壓和腦血栓,多與血液黏稠度增高以及由此導致的血液流動受阻有關,屬血液流變學(hemorheology)范疇。顯然,對高分子而言,怎樣強調流變學的重要,似乎不為過。對流變學而言,說高分子流變學占據半壁江山,好像也未有夸張。
我工作和生活中的許多專長和樂趣,恰恰得益于流變學的啟發: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,要控制氣息的穩定流動及對聲帶的沖擊(強度);又如習修書法時,筆畫的厚重與飽滿取決于筆尖對宣紙的剪切應力,筆畫中出現的“飛白”取決于毛筆與宣紙的剪切速率;再如我給學生演講之所以有好的效果,是因為能從流變學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。