清華新聞網(wǎng)11月3日電 黏度是最常用的描述流體物性的物理量。如何從微觀(guān)理論出發(fā)定量的解釋黏度，不僅在化工、醫(yī)藥等工業(yè)領(lǐng)域具有重要實(shí)用價(jià)值，同時(shí)也是軟凝聚態(tài)物理研究的核心問(wèn)題之一。當(dāng)流體處于過(guò)冷狀態(tài)時(shí)，流體的黏度呈現(xiàn)出非常顯著的非線(xiàn)性特征。例如，隨著流速的增加，黏度呈現(xiàn)出明顯衰減（圖1）。這一現(xiàn)象稱(chēng)為“剪切變稀”。剪切變稀是最常見(jiàn)的液體非線(xiàn)性流變現(xiàn)象。
圖1.過(guò)冷液體的剪切變稀
清華大學(xué)工程物理系王哲副教授課題組選取在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)生產(chǎn)中均非常常見(jiàn)的膠體體系作為研究過(guò)冷液體流動(dòng)性質(zhì)的模型系統(tǒng)。通過(guò)理論分析和布朗動(dòng)力學(xué)模擬，建立了“局域彈性區(qū)（localized elastic region）”理論模型。圖2給出了該模型的示意圖。局域彈性區(qū)是流體中的瞬態(tài)微觀(guān)單元。它的彈性形變和屈服是過(guò)冷液體的黏彈性的微觀(guān)物理基礎(chǔ)。基于該模型，剪切變稀現(xiàn)象和液體的微觀(guān)結(jié)構(gòu)變形以及彈性性質(zhì)之間得以建立定量的標(biāo)度律關(guān)系。在理論和模擬研究的基礎(chǔ)上，課題組利用小角中子散射技術(shù)對(duì)該模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持了理論模型的合理性。
圖2.局域彈性區(qū)（localized elastic region）示意圖
該理論模型的提出是對(duì)傳統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)的挑戰(zhàn)。從宏觀(guān)的角度來(lái)看，黏度屬于一種耗散特征；而本項(xiàng)研究表明，其背后的微觀(guān)物理機(jī)制是彈性的。這一思路被匿名審稿專(zhuān)家一致高度評(píng)價(jià)，被認(rèn)為是“研究范式的改變（paradigmatic change）”和“具有開(kāi)創(chuàng)性（groundbreaking）”。
該工作以“局域彈性主導(dǎo)膠體過(guò)冷液體的非線(xiàn)性流變性質(zhì)”（Localized elasticity governs the nonlinear rheology of colloidal supercooled liquids）為題發(fā)表于物理領(lǐng)域著名刊物《物理評(píng)論X》（Physical Review X）。
本文第一作者為清華大學(xué)工程物理系2018級(jí)博士生孔德嘉，通訊作者為清華大學(xué)工程物理系王哲副教授。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目以及國(guó)家級(jí)青年人才項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevX.12.041006
供稿：工物系
題圖設(shè)計(jì)：任左莉
編輯：李華山
審核：呂婷
