遇强则强 遇弱则弱——软物质物理之剪切变稠｜理论物理 coffee time (1)

来源：中国物理学会期刊网

什么叫“软物质”？理论物理如何能够促进软物质的研究？欢迎观看《理论物理 coffee time》 第1期：遇强则强 遇弱则弱——软物质物理之剪切变稠。（左）孟凡龙中国科学院理论物理研究所副研究员（中）王延颋中国科学院理论物理研究所研究员（右）金瑜亮 中国科学院理论物理研究所副研究员非牛顿流体？剪切变稠？王延颋：小当哥给我们演示了，对于非牛顿流体，如果迅速地去击打它，那么它就会变得很硬，但是如果慢慢地摁下去，它就会变得很软，如果用软物质的术语的话，我们应该管这个叫什么现象？ 孟凡龙：这叫剪切变稠。王延颋：剪切变稠，这4个字分开来看都认识，放一块儿就不知道什么意思了，能不能给解释一下？孟凡龙：大家都知道有好多流体，像水、油、还有蜂蜜等等，这些流体都有一定的粘性。如果说粘度是个常数，就是说不管你怎么操作，比如说搅拌剪切，它都不变――这就叫牛顿流体。反之，如果说它的粘度随着这些操作而发生了改变，那就是非牛顿流体。这里小当哥展示的就是一种典型的非牛顿流体，随着剪切或者击打，它的粘度会随着这些操作增加而增加，这就是学术上所说的剪切变稠。金瑜亮：我提一个问题，什么叫做剪切？王延颋：剪切我的理解是不是相对于压缩来说的，压缩是垂直压对吧，剪切是这样平行地搓是吧。剪切变稠放到分子的层面来看，就是微观层面，它的微观机制应该是什么样的？剪切变稠的微观机制金瑜亮：这里可以用胶体体系作为一个例子来解释。所谓胶体，简单来说就是胶体粒子和水的混合物。胶体粒子的大小是在纳米的尺度，就是1个纳米到100个纳米。王延颋：能不能举例，我们生活中有没有常见的胶体的例子？金瑜亮：比如说牛奶，就是牛奶蛋白分子和水的混合物，牛奶蛋白分子就是一种胶体粒子。包括有些人早上喜欢喝的豆浆，也是一种胶体。王延颋：豆浆里浮在里面的胶体粒子是什么？金瑜亮：应该是一种植物蛋白，相对于牛奶里的动物蛋白来说。它的尺度大概就是在纳米尺度。胶体作为一种混合物，是一种均匀的混合物。当然我们日常看到的还有很多其他的混合物，如果粒子的大小比胶体的粒子更小的，那就是所谓的溶液。比如说把盐放到水里面搅拌一下，那么形成的是一种盐溶液而不是胶体。如果粒子颗粒更大的话，超过几百纳米的尺度，再放到水里面，形成的就是浊液，就不会是均匀的混合物。我们现在所考虑的体系是胶体体系。胶体体系比较特别，它里面粒子之间的相互作用简单来说有两种力，一种是布朗力，一种是粒子之间的相互接触力。那么什么叫做布朗力，我想大家如果上过高中物理的话，应该听说过布朗运动。就是说如果拿一个显微镜去观测花粉在水里面的运动，花粉粒子不是聚集在一堆的，是在水里面做一个所谓的无规行走，这种无规行走就是由于布朗力造成的。王延颋：什么叫无规行走？金瑜亮：如果一直闷着头往前走，就是有规直线的行走，但是如果一直不断地在改变行走的方向，随机地改变。王延颋：是不是喝醉了酒的人走路就是无规行走？金瑜亮：那就是一种无规行走。那么这种布朗力的效果很显然，导致了这些粒子不能够聚集在一起，是一种等效的排斥力。剪切外力，可以理解成在某一个方向上的一个等效的压缩，它会导致让这些粒子聚在一起。聚在一起之后，（粒子间）会由于相互的接触产生等效的摩擦力。所以说当加了剪切之后，随着剪切速率的增加，粒子之间会更多地相互接触，那么这个体系就会看起来更加粘稠，这就是剪切导致粘稠的一个比较简单的原理。王延颋：我们说到溶液就再多说一点，我们刚刚说了牛奶、豆浆都是溶液对吧。甚至包括墨水颜料油漆这些，我们生活中常见的很多的胶体溶液的例子。但是听起来都好像太常规了，不是什么新东西对吧，不像高科技。实际上对胶体溶液来说，也有一个高科技的例子。这就是我手上的电子纸，它的原理是在溶液里有很多小的固体颗粒，固体颗粒是黑色和白色的，它们是带电的。当我们要阅读的时候，就加一个垂直方向的电压，比如说加的是正电，如果黑色颗粒带正电的话，黑的颗粒就浮上来，在像素上，在旁边的像素加负电压，那么白的颗粒就浮上来，所以这样就形成一个黑白的类似于纸质（的媒介）。为什么叫电子纸，就是基于这种原理，除了在翻页的时候，需要费一点电，平时它自己是不主动发光的，要阅读它就像纸一样，得要有外部光源打在上面才能看得见，所以这样的话其实对于父母来说是很好的，因为（小孩子）如果想躲在被窝看就看不了了。金瑜亮：以前古人说凿壁偷光，是不是也是要看这个电子纸才这样做的。王延颋：如果我们穿越过去送给他一个电子纸，他会觉得很幸福。▼往期精彩回顾▼1.磁性量子相变2.拓扑近藤绝缘体3.拓扑近藤半金属4.重费米子超导5.两只“量子柴郡猫”笑脸的无接触交换6.地球自转和倾角的实时测量7.奋斗 机遇 物理 (中) | 郝柏林8.诺奖得主史蒂文·温伯格：科学能够解释一切吗？9.这不是永动机，这叫时间晶体10.认认真真做学问 实实在在作贡献——我所知道的戴元本先生