复杂流体的中国坐标

改变,发生自这一个十年.

作为物理力学的重要研究方向之一,复杂流体研究的突破也刻下了耀眼的“中国坐标”.物理与力学结合,微观与宏观结合,理论与创新实验手段结合,研究成果未来将有可能解密红细胞聚集、血栓形成的起因；开拓在废水处理、江河泥沙沉积、泥石流预防等方面的解决途径；揭示纳米材料,晶体生长的奥秘等渗透到社会生活的方方面面.随着这个新兴交叉学科的高歌猛进,中科院力学所的一位80后的研究员――徐升华,也走进了这个神奇领域的“聚光灯”下.

神奇诱人的复杂流体

对于普通百姓而言,“复杂流体”,这是一个相当生僻艰涩的概念.徐升华研究员耐心地为我们做了较为通俗的介绍：“人们对单相介质构成的普通流体,比如水的表现已习以为常.但当有不同介质加入后,其特性有时会很不寻常.

这方面的例子很多,比如：芝麻酱（芝麻的微小颗粒分数在水中）搅拌后会变得更粘稠,这种现象叫“切稠”,即在外力（切力或切速）作用下体系的粘度升高.而普通的水就不会这样.人们利用“切稠”作用研制了防弹衣,当射入时,飞快的切速会产生极大的阻力使之停下来.另一个例子是电流变液,通常是由具有高介电常数的固体微粒均匀分散在低介电常数的绝缘油中组成.它在电场的作用下可发生由液态向固态的转变.这种特性可以应用于刹车等制动装置.因为它可随施加的电压不同而改变其强度,在仿生智能材料方面具有诱人的应用前景,可以具有硬软程度可根据需要而调节,类似肌肉的特性.人们也知道,当江河水卷着泥沙奔流而下时,来到盐碱地带会突然聚集沉淀造成河道淤积,这是因为泥沙颗粒原来的电排斥力避免了因相互吸引碰撞而聚集沉降,而盐碱则使颗粒间排斥力变成吸引力,颗粒就会沾在一起沉降.实际上,复杂流体涵盖的范围很广,是界于理想固体和理想流体之间的非单相物质体系,由于结构变化需要克服的位垒很低,其内部常可以在介观（mesoscopic）尺度上,形成不同形式的结构.复杂流体多变的宏观特性正是与这种内部结构变化相关联的.

从物理学上,人们更关注复杂流体作为软物质的特性,特别是其对外界微小作用的敏感和非线性响应,丰富的相行为及自组织现象.例如,分散于连续的液态介质中的胶体粒子在一定条件下可以形成二维或三维的周期性有序结构,称之为胶体晶体.其结构与通常的晶体相似.实际上,自然界中存在的光艳夺目的蛋白石（opal）就是一种由二氧化硅球形微粒规则堆积成的胶体晶体.胶体粒子这种自动形成的有序纳米级结构刚好可以作为制备当前十分热门的光子晶体的模板.

纳米粒子的自组装过程也为常用所谓自下而上的方式,构建纳米器件或复杂功能体系的途径提供了借鉴.人们还发现,胶体粒子在形成有序结构过程中表现出来的行为与原子分子的相行为十分相似.而且介观大小的粒子要比原子大得多,相应的各种弛豫时间慢得多,有利于观察和测量,近年来已成为研究凝聚态物理一些基本过程的理想模型体系.显然,复杂流体是一门交叉学科,作为常见的、又影响广泛的物质形态,对其研究既有重要理论意义也具有广泛的实用价值,可以说,这个神秘诱人的科研领域蕴藏着巨大的社会财富.

潜心向前,只因一颗“好奇心”

想在一个多学科交叉的科研方向上“探秘寻宝”,过程的枯燥与艰辛可想而知.当记者问及徐升华研究员的感受,他爽朗地笑了“我并没什么畏难想法,从求学到工作,都是由求知的和兴趣驱动的”.

那么,徐升华研究员又是如何与复杂流体结缘的呢?

1996年,他顺利地进入中国科学技术大学少年班系学习.以“精英教育”为目标的少年班,设置了全面的基础课程,物理、数学、计算机均与三个专业的基础专业课基本一致.坚实的基础为其随后的发展创造了条件.

大三以后,徐升华选择了物理系光学专业.在研究生阶段,恰逢中科院力学所孙祉伟研究员在科大物理系推进了利用光镊从微观层次研究胶体粒子聚集过程的研究.徐升华以极大的兴趣参加了这项研究,并从此与孙教授结下了不解之缘.孙教授曾在美国加州大学伯克利分校及洛伦兹伯克利国家实验室工作多年.于上世纪90年代中,由胡文瑞院士建议,经中科院副院长胡启恒亲自写信邀请,回国参加了国家微重力实验室的筹建工作,并在广泛调研基础上,提出把复杂流体作为微重力实验室的一个新的研究方向,开始了筹建工作.博士毕业后,徐升华作为博士后,跟随孙先生来到了力学所微重力实验室,继续复杂流体的研究工作.2007年,徐升华博士后出站,被聘为副研究员,五年后升为研究员.2008年,复杂流体课题组正式成立后,徐升华即为首任课题组组长.现在也是中科院青年创新促进会会员.

那么,复杂流体又与微重力有哪些关联呢?

徐升华为我们详细解释说“在重力环境中,沉降、对流、分层、静压力等效应常会掩盖复杂流体自身的行为特征.而在微重力条件提供了更能清楚地认识复杂流体的本质性规律的机会.国际上,复杂流体在空间微重力研究中也占有相当大的比重.内容包括：胶体粒子聚集、无序-有序相变、磁流变流体、泡沫动力学、颗粒物质等等.美国航天局把复杂流体列为重要的微重力研究内容,在胶体晶体等多方面开展了一系列研究；欧洲和日本也相继开展了许多工作.欧空局科学家早在上世纪九十年代就曾利用探空火箭研究了重力对聚集行为的影响.”

国际认可,源于科研创新实力

复杂流体课题组一直秉承着物理与力学结合,微观与宏观结合,理论与创新实验手段结合的研究思路,在悬浮粒子体系的聚集、稳定、胶体相变,界面过程等方向做出了一系列开创性的工作.徐升华本人至今已发表SCI论文40余篇,其中相当部分为相关领域影响因子前15%刊物,应邀为国际著名杂志写过评论性文章,撰写了两本专著相关章节.主持和参与了多个科研项目,包括实践十号的一项中欧合作项目,国家自然科学基金重点项目和面上项目,中科院仪器设备功能开发技术创新项目等.

徐升华说：“面对复杂流体,作为一支新军,如何打开局面,走向前沿,并不容易.只能集中力量先从一些个别点去突破,然后再向纵深扩展.”胶体粒子体系的聚集与稳定性是胶体科学中的重要问题,绝对聚集速率是表征体系聚集快慢的重要参量,而最常用的浊度法测量却在测量较大粒子和准确度上一直存在问题.课题组从浊度法的物理本质出发,提出了判断理论处理适用性的判据,并通过应用T矩阵方法和折射率修正,解决了精确计算双粒子聚集体的消光截面的难题,使得浊度法测量可以不再受到粒子大小的限制,从而大幅度改进了浊度法测量的范围和准确度.随后这种方法也被国际同行广泛采用.同时,通过实验研究和理论分析的对比,课题组还首次指出了浊度法测量存在盲区的概念.他们还进一步将相关结果拓展到不同粒子的异相聚集过程的研究中；并深入研究了多重散射和前向散射等因素对绝对聚集速率测量的影响,给出了多重散射和前散射影响的相关理论分析公式和相应的误差允许范围.另一方面,课题组还利用光镊操控粒子,人为地诱导粒子碰撞,提出从微观角度估算聚集速率的方法.在高端学术刊物“AdvancesinColloidandInterfaceScience”（影响因子8.120）的一篇评论性文章中,用了相当大的篇幅对这一系列开创性的工作做了高度评价.

100多年前提出的奥氏分步律,是晶体生长中的重要经验规律.虽绝大多数实验都支持该规律,却也有个别例外,是否具有普适性也从未得到严格证明.由于国际上把胶体相变作为研究晶生长规律的模型体系,对胶体相变是否遵守该规律十分重视.但一直没人能证实.就此问题,课题组创造性地改进了反射光谱测量方法,把确定胶体晶体结构的速率大幅度提高了三个数量级,从而一举发现了体系从无序到稳态fcc结构需要经历亚稳态bcc结构,验证了胶体相变遵守奥氏分步规则；此外,定量验证了体系的稳态fcc结构均从亚稳态的bcc结构转化而来,并指出亚稳态有一个体积分数的观察窗口,为“不符合”奥氏分步规则的体系提供了可能的解释.也就是说,有时亚稳态的存在时间太短,如果测试手段不够快的话,就有可能观察不到实际存在的亚稳态.因此观察不到亚稳态,很可能是观测手段不够快,而不一定是奥氏分步律不对.该研究受到国际上相关领域专家的重视.

国际著名专家、胶体与界面科学家协会主席、英国皇家化学会的BrianVincent更指出,这些关于亚稳结构存在的结果很可能对于制药工业有重大的商业价值.

宝剑锋从磨砺出,梅花香自苦寒来.多年来在这个多学科交叉研究领域的耕耘,获得了越多越多的认可,课题组的研究成果开始被不同领域学术期刊广泛引用.

徐升华特别指出“我们十分重视国际交流,但并不盲从.例如,欧空局科学家在上世纪末就曾利用探空火箭创造的微重力条件,研究了重力对胶体粒子聚集行为的影响,并得出无重力时的聚集速率会比重力条件下的快近8倍的结论.然而,我们的深入研究,包括计算机模拟,证明他们在实验和理论推导上都存在严重问题,结论是错误的.另一个例子是日本科学家曾断言反射光谱测量方法只能用来确定晶格常数,但不可能用来确定晶体的类型.我们则推翻了他们的结论,通过把光谱线在波长空间转换到波矢空间的办法,成功用反射光谱实现了对晶体结构的快速测量,进而对胶体晶体验证了奥氏经验规律.正是这种不断的创新性思维,使我们的团队在国际学术界得到了尊重.”

节节开花,仅仅是个开始

精细的研究能力、卓越的创新能力,结出了丰硕的果实.然而荣誉与注目,并没有让这个80后科研尖兵居功自傲.在采访中,徐升华研究员反复强调：“孙祉伟老师对我影响很大,他严谨的学风,深刻的洞察力,为我和其他学生树立了榜样.他强调物理概念,创新思维,抓问题本质,兼顾局部和全局,把握大方向的思维模式使我受益匪浅.往往在研究的迷失中找到解决问题的出路.我成长到今天与孙老师的谆谆教诲,包括有时是直言不讳的批评分不开的.而且,我们的成绩不能都记在我个人的功劳薄上,而是全组成员共同努力的结果.难得的机遇,难求的伯乐,也都使我少受了许多挫折,我没有丝毫骄傲的本钱.何况,我们在复杂流体科学探索的路上才刚刚起步,奖励与肯定已经成为过去,我们的征途还仅仅是开始.”

面对未来的科研长路,徐升华研究员满含憧憬,他与团队伙伴已经明确未来的研究目标和攻关方向,还将通过系统深入的工作,争取进一步拓展我国在复杂流体研究领域国际影响力.不盲目乐观,也不畏缩不前,即使路途坎坷,也要将迎面而来的挑战转化为不断超越自我的正向能量.

时不待我,只争朝夕.面对奔涌向前的世界浪潮,科技创新成为了社会发展的主要驱动力.而此时此刻,正因为有了徐升华研究员这样一批锐意进取的科学家,中国才有可能在未来全球科技图谱中,拥有更为耀眼的坐标.

专家简介：

徐升华,中国科学院力学研究所、中科院微重力重点实验室、研究员.毕业于中国科学技术大学物理系,博士学位.现为中科院力学研究所复杂流体课题组组长、中国力学学会物理力学专业委员会委员、中科院青年创新促进会会员.

主要研究方向为复杂流体的相变、胶体聚集行为、微重力复杂流体、微重力流体界面现象等,主持和参与了多个科研项目,发表SCI论文40余篇,并应邀为国际著名杂志写过评论性文章,撰写了两本专著相关章节.