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流变学:软乎乎的东西如何流动、又如何抵抗

番茄酱倒不出来、然后忽然喷涌而出;橡皮泥会弹跳、却又会慢慢摊成一滩;油漆在墙上挂得住、却又在刷子下铺得开——软物质按它自己那套古怪的规矩流动。这最后一讲讲的是流变学:研究那些“一半是液体、一半是固体、全看你怎么对待它”的东西的科学。

关于流动的科学,和番茄酱难题

我们已经认识了软物质的各个部件;现在要问的是:当你真的去推它、去摆弄它时,它们的行为是怎样的。这门学问有个名字:[[rheology|流变学]],来自一个意为“流动”的希腊词。流变学是研究材料在受力时如何变形、如何流动的科学——而软物质是它最丰饶的游乐场,因为软物质的流动方式既古怪、又依赖历史,还往往大有用处。这一切之所以有趣,正是因为软物质骑在液体与固体之间的那道栅栏上,而流变学,就是我们用来描述一种“总在反复犹豫自己到底是哪一个”的材料的方式。

先从一桩熟悉的窝火事说起:番茄酱。把瓶子倒过来,什么都不出来——它表现得像个固体,保持着形状,纹丝不动。可一拍瓶子,或者使劲一挤,它忽然就喷涌而出,流得像稀薄的液体。同样的番茄酱,截然相反的行为,而唯一改变的,只是你推得有多用力。这样一种材料,叫作“剪切变稀”:你越用力、越快地去摆弄它,它就变得越稀。油漆也这样(在罐子里稠,在刷子下稀,到了墙上又变稠,这样才不会往下淌)。流沙这样,血液也这样。

一半弹簧,一半糖浆:粘弹性

要钉住软物质这种分裂的性格,先把两个理想化的极端分开。一个完美的固体是弹性的:你推它,它变形;你松手,它一路弹回原样,就像一根钢弹簧——它记得自己的形状,并把你投入的能量还给你。一个完美的液体是粘滞的:你推它,它流动;你松手,它就停在它最后到达的地方,就像蜂蜜——它忘掉了自己的形状,你花掉的能量也化作热散去了。真实的软物质几乎从来不是纯粹的哪一种。它两者同时都是,物理学家把这种混合叫作[[viscoelasticity|粘弹性]]——一半有弹性,一半黏糊糊。

把这一点变得令人难忘的那个玩具,是橡皮泥(傻瓜泥)。把它揉成一个球,往地上一弹,它就像橡胶一样弹回来——在那里,它表现得有弹性,像个固体。可把同样这个球放在桌上过一夜,到了早上,它已经慢慢瘫成了一摊扁平的泥——在那里,它表现得粘滞,像液体。橡皮泥本身什么都没变。唯一的区别是时间:一记快推(那一弹),撞见的是它有弹性的一面;一记慢推(重力,整整一夜),撞见的是它流动的一面。一种材料,两张面孔,由钟表来挑选。

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?
软物质究竟是固体还是液体,取决于你推它的快慢,比它内部重新排布的速度更快还是更慢。

为什么时间才是那味秘密配料

为什么“你推得有多快”竟能决定一样东西是固体还是液体?因为每一种软材料都有它自己内部的重新排布时间——它的建材彼此错身而过、放松进一种新排布所需要的时间。回想那些缠在一起的[[polymer|聚合物]]链像蛇一样彼此蠕动着错过:那种蠕动是要花时间的。一群[[colloid|胶体]]微粒的重新排布也是,一张[[gel|凝胶]]网络的重新编织也是。热抖动永远在推搡着这些部件去重新排布,但重新排布并非瞬间完成;它有一个天然的节奏。

现在一切都对上了。如果你推得比这些部件重新排布还快,它们就来不及流到一边给你让路,于是抵抗、回弹——材料表现得像固体。如果你推得比那个内部节奏还慢,这些部件就从从容容地挪到一旁,材料便流动起来——它表现得像液体。是固还是液,并不是关于这种材料的一个固定事实;它是你的时间和材料的时间之间的一场赛跑。橡皮泥用几分钟来重新排布,所以一记几毫秒的弹跳输掉了这场赛跑(固体),而一整夜的下塌却赢了它(液体)。这一个想法——把你的时间尺度,和材料的时间尺度比一比——正是打开整个流变学的万能钥匙。

全景图:软物质为什么如此容易变形

现在我们可以完完整整地回答这整条学习线最开头的那个问题了:软物质为什么如此容易变形?把这些线索拢到一起。建材很大——链条、液滴、微粒——所以一块材料里头,它们的数目相对很少。它们被微弱的胶水拉着,那胶水不比一记热抖动更强。于是室温下的[[thermal-motion|热运动]]便是一名主角,不停地抖动着这些部件、帮它们重新排布。把这三条放到一起,结论就被逼了出来:一股小小的力,再给它一点时间,就能轻而易举地战胜如此微弱的内部抵抗。这材料几乎是感激涕零地屈服了。

而它的妙处恰恰在这里:正是这同一份温顺,让软物质如此容易被压扁,也正是它,让软物质能够自我组织、能够响应、能够适应。因为作用力微弱、部件又坐不住,一记轻微的推力就能给一整块液晶屏幕重新指向,肥皂能把自己搭成膜,一份胶体能结晶,一张凝胶能用脆弱的网兜住水。软,不是脆弱,也不是失败;它是通往丰饶的门。容易屈服的东西,也是容易组织起来的东西。

你走过的路,和它通向何方

回头看看这一路的攀登。你从一句口号出发——大块头,弱胶水,活泼的热——然后眼看着它解释了橡皮筋的回弹([[polymer|聚合物]]里的熵弹簧)、你屏幕的发光([[liquid-crystal|液晶]]里对齐的棒子)、你水槽里的肥皂泡([[surfactant|表面活性剂]][[self-assembly|自组装]],组成[[membrane|膜]][[foam|泡沫]]),以及现在番茄酱和橡皮泥那古怪的流动([[rheology|流变学]]里的[[viscoelasticity|粘弹性]])。一小套想法,一整个由日常材料构成的世界。这份经济——从寥寥几条原理推出众多现象——恰恰正是软物质之所以是真正的物理学、而非一本配方目录的原因。

它通向何方?通向四面八方。通向生物学——在那里,生命就是学会了读取自己、复制自己、修复自己的软物质:膜、凝胶和自组装的机器,运转着每一个细胞。通向技术:能按指令释放的药物胶囊、能印出柔性电子的墨水、能按需膨胀的智能凝胶、一口一口精心设计出来的食物。也通向一个个开放的问题,比如:为什么一种拥挤的软材料会突然“卡死”成固体,又或者,活物质明明从不静止,却为何能维持得如此精妙有序。如今你已经握住了那份核心的直觉。从这里起,你触碰到的每一样软乎乎的东西,都是一个小小的、实诚的物理实验,正等着被你留意到。