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流變學:軟乎乎的東西如何流動、又如何抵抗

番茄醬倒不出來、然後忽然噴湧而出;橡皮泥會彈跳、卻又會慢慢攤成一灘;油漆在牆上掛得住、卻又在刷子下鋪得開——軟物質按它自己那套古怪的規矩流動。這最後一講講的是流變學:研究那些「一半是液體、一半是固體、全看你怎麼對待它」的東西的科學。

關於流動的科學,和番茄醬難題

我們已經認識了軟物質的各個部件;現在要問的是:當你真的去推它、去擺弄它時,它們的行為是怎樣的。這門學問有個名字:[[rheology|流變學]],來自一個意為「流動」的希臘詞。流變學是研究材料在受力時如何變形、如何流動的科學——而軟物質是它最豐饒的遊樂場,因為軟物質的流動方式既古怪、又依賴歷史,還往往大有用處。這一切之所以有趣,正是因為軟物質騎在液體與固體之間的那道柵欄上,而流變學,就是我們用來描述一種「總在反覆猶豫自己到底是哪一個」的材料的方式。

先從一樁熟悉的窩火事說起:番茄醬。把瓶子倒過來,什麼都不出來——它表現得像個固體,保持著形狀,紋絲不動。可一拍瓶子,或者使勁一擠,它忽然就噴湧而出,流得像稀薄的液體。同樣的番茄醬,截然相反的行為,而唯一改變的,只是你推得有多用力。這樣一種材料,叫作「剪切變稀」:你越用力、越快地去擺弄它,它就變得越稀。油漆也這樣(在罐子裡稠,在刷子下稀,到了牆上又變稠,這樣才不會往下淌)。流沙這樣,血液也這樣。

一半彈簧,一半糖漿:黏彈性

要釘住軟物質這種分裂的性格,先把兩個理想化的極端分開。一個完美的固體是彈性的:你推它,它變形;你鬆手,它一路彈回原樣,就像一根鋼彈簧——它記得自己的形狀,並把你投入的能量還給你。一個完美的液體是黏滯的:你推它,它流動;你鬆手,它就停在它最後到達的地方,就像蜂蜜——它忘掉了自己的形狀,你花掉的能量也化作熱散去了。真實的軟物質幾乎從來不是純粹的哪一種。它兩者同時都是,物理學家把這種混合叫作[[viscoelasticity|黏彈性]]——一半有彈性,一半黏糊糊。

把這一點變得令人難忘的那個玩具,是橡皮泥(傻瓜泥)。把它揉成一個球,往地上一彈,它就像橡膠一樣彈回來——在那裡,它表現得有彈性,像個固體。可把同樣這個球放在桌上過一夜,到了早上,它已經慢慢癱成了一攤扁平的泥——在那裡,它表現得黏滯,像液體。橡皮泥本身什麼都沒變。唯一的區別是時間:一記快推(那一彈),撞見的是它有彈性的一面;一記慢推(重力,整整一夜),撞見的是它流動的一面。一種材料,兩張面孔,由鐘錶來挑選。

push FAST  (short time)  ->  behaves SOLID  -> springs back  (elastic)
push SLOW  (long time)   ->  behaves LIQUID -> oozes away    (viscous)

the deciding question is always:  how does YOUR time compare
to the material's own rearrangement time?
軟物質究竟是固體還是液體,取決於你推它的快慢,比它內部重新排佈的速度更快還是更慢。

為什麼時間才是那味秘密配料

為什麼「你推得有多快」竟能決定一樣東西是固體還是液體?因為每一種軟材料都有它自己內部的重新排佈時間——它的建材彼此錯身而過、放鬆進一種新排佈所需要的時間。回想那些纏在一起的[[polymer|聚合物]]鏈像蛇一樣彼此蠕動著錯過:那種蠕動是要花時間的。一群[[colloid|膠體]]微粒的重新排佈也是,一張[[gel|凝膠]]網絡的重新編織也是。熱抖動永遠在推搡著這些部件去重新排佈,但重新排佈並非瞬間完成;它有一個天然的節奏。

現在一切都對上了。如果你推得比這些部件重新排佈還快,它們就來不及流到一邊給你讓路,於是抵抗、回彈——材料表現得像固體。如果你推得比那個內部節奏還慢,這些部件就從從容容地挪到一旁,材料便流動起來——它表現得像液體。是固還是液,並不是關於這種材料的一個固定事實;它是你的時間和材料的時間之間的一場賽跑。橡皮泥用幾分鐘來重新排佈,所以一記幾毫秒的彈跳輸掉了這場賽跑(固體),而一整夜的下塌卻贏了它(液體)。這一個想法——把你的時間尺度,和材料的時間尺度比一比——正是打開整個流變學的萬能鑰匙。

全景圖:軟物質為什麼如此容易變形

現在我們可以完完整整地回答這整條學習線最開頭的那個問題了:軟物質為什麼如此容易變形?把這些線索攏到一起。建材很大——鏈條、液滴、微粒——所以一塊材料裡頭,它們的數目相對很少。它們被微弱的膠水拉著,那膠水不比一記熱抖動更強。於是室溫下的[[thermal-motion|熱運動]]便是一名主角,不停地抖動著這些部件、幫它們重新排佈。把這三條放到一起,結論就被逼了出來:一股小小的力,再給它一點時間,就能輕而易舉地戰勝如此微弱的內部抵抗。這材料幾乎是感激涕零地屈服了。

而它的妙處恰恰在這裡:正是這同一份溫順,讓軟物質如此容易被壓扁,也正是它,讓軟物質能夠自我組織、能夠響應、能夠適應。因為作用力微弱、部件又坐不住,一記輕微的推力就能給一整塊液晶螢幕重新指向,肥皂能把自己搭成膜,一份膠體能結晶,一張凝膠能用脆弱的網兜住水。軟,不是脆弱,也不是失敗;它是通往豐饒的門。容易屈服的東西,也是容易組織起來的東西。

你走過的路,和它通向何方

回頭看看這一路的攀登。你從一句口號出發——大塊頭,弱膠水,活潑的熱——然後眼看著它解釋了橡皮筋的回彈([[polymer|聚合物]]裡的熵彈簧)、你螢幕的發光([[liquid-crystal|液晶]]裡對齊的棒子)、你水槽裡的肥皂泡([[surfactant|表面活性劑]][[self-assembly|自組裝]],組成[[membrane|膜]][[foam|泡沫]]),以及現在番茄醬和橡皮泥那古怪的流動([[rheology|流變學]]裡的[[viscoelasticity|黏彈性]])。一小套想法,一整個由日常材料構成的世界。這份經濟——從寥寥幾條原理推出眾多現象——恰恰正是軟物質之所以是真正的物理學、而非一本配方目錄的原因。

它通向何方?通向四面八方。通向生物學——在那裡,生命就是學會了讀取自己、複製自己、修復自己的軟物質:膜、凝膠和自組裝的機器,運轉著每一個細胞。通向技術:能按指令釋放的藥物膠囊、能印出柔性電子的墨水、能按需膨脹的智能凝膠、一口一口精心設計出來的食物。也通向一個個開放的問題,比如:為什麼一種擁擠的軟材料會突然「卡死」成固體,又或者,活物質明明從不靜止,卻為何能維持得如此精妙有序。如今你已經握住了那份核心的直覺。從這裡起,你觸碰到的每一樣軟乎乎的東西,都是一個小小的、實誠的物理實驗,正等著被你留意到。