“介尺度”的起源及其發(fā)展現(xiàn)狀

摘 要：“介尺度”體系的研究作為科技前沿已經(jīng)深入科學(xué)研究的各方面。通過(guò)介紹介尺度的含義、起源及其產(chǎn)生背景，并結(jié)合中國(guó)發(fā)明專利，闡述介尺度研究的方法及其發(fā)展現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：介尺度，微觀尺度，宏觀尺度，多尺度

中圖分類號(hào)：N04；G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-8578（2014）S1-0110-03

The Origin and Development Status of Mesoscale

HE Yandong

Abstract： “Mesoscale” system， as a technological frontier， has penetrated many aspects of scientific research. This article introduces the concept， origin， and background of mesoscale. Combined with the Chinese invention patent， the approaches and development of mesoscopic research are also described in this article.

Keywords： mesoscale， microscale， macroscale， multiscale

收稿日期：2014-06-14

作者簡(jiǎn)介：何彥東（1981—），女，吉林通化人，國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心光電部審查員，主要從事光化學(xué)領(lǐng)域的專利審查。通信方式：heyandong@sipo.gov.cn。

一 “介尺度”的起源

隨著科學(xué)研究的進(jìn)步，人們逐漸發(fā)現(xiàn)一些單純用宏觀經(jīng)典物理學(xué)或微觀量子力學(xué)無(wú)法解釋的現(xiàn)象，從而，應(yīng)運(yùn)而生了一個(gè)介于宏觀和微觀之間的新領(lǐng)域——介尺度。介尺度，即“mesoscale”或者“mesoscopic”，是由N. G. van Kampen于1976年在其一篇關(guān)于物理和化學(xué)上的隨機(jī)過(guò)程的文章中首次提到，并于1981年明確定義指介乎于微觀和宏觀之間的一種尺度，從物理意義上講，該尺度是與相位相干長(zhǎng)度接近的電子系統(tǒng)[1]。

20世紀(jì)90年代初，我國(guó)的一些學(xué)者開(kāi)始更多地關(guān)注介尺度的研究，如1990年中國(guó)科學(xué)院物理研究所和北京大學(xué)的顧本源、顧雷在其文章中綜合介紹研究“介觀”系統(tǒng)中電子的輸運(yùn)現(xiàn)象時(shí)所觀察到的量子干涉效應(yīng)[2]；1991年復(fù)旦大學(xué)物理系的蔣平在其文章中討論了量子干涉效應(yīng)對(duì)體系輸運(yùn)性質(zhì)的影響，并就其發(fā)展對(duì)微電子學(xué)技術(shù)的意義作簡(jiǎn)要評(píng)述[3]。與此同時(shí)，蛋白質(zhì)分子的折疊、表面活性劑分子在溶液中的連通結(jié)構(gòu)以及嵌段聚合物的奇妙結(jié)構(gòu)等，既非宏觀、也非微觀的一些現(xiàn)象，引起人們極大的興趣。由此可見(jiàn)，介尺度并非人類的一種發(fā)明創(chuàng)造，而是隨著人們對(duì)物質(zhì)認(rèn)識(shí)的深入以及科技的發(fā)展，逐漸被人們發(fā)現(xiàn)和重視的一個(gè)尺度范圍內(nèi)的研究對(duì)象和重要研究方法，并且開(kāi)始推動(dòng)一門跨越物理、化學(xué)、生物、材料等多學(xué)科的交叉學(xué)科的發(fā)展。

介尺度的發(fā)展不僅與人們?cè)诶碚撋系恼J(rèn)識(shí)密不可分，更與計(jì)算機(jī)的發(fā)展緊密相連。20世紀(jì)80年代初，計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展促進(jìn)了處于微觀與宏觀之間被人們長(zhǎng)期忽略的介尺度領(lǐng)域的發(fā)展。作為微處理器及存儲(chǔ)器芯片的基本組成單元，晶體管的尺度已經(jīng)達(dá)到了幾十個(gè)納米，可以處理介尺度的范疇。中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所李靜海課題組利用CUDA技術(shù) （Compute Unified Device Architecture，即通用并行計(jì)算架構(gòu)），進(jìn)行了圖形處理器（GPU）上的分子動(dòng)力學(xué)模擬，通過(guò)方腔流及顆粒-氣泡接觸等實(shí)例初步展示了從微觀上模擬介觀行為的能力[4]。由此可見(jiàn)，計(jì)算機(jī)的發(fā)展促進(jìn)了介尺度的研究工作，并進(jìn)而推動(dòng)了在多尺度下研究復(fù)雜體系的可能性。

納米科技的發(fā)展為介尺度研究乃至多尺度研究奠定了基礎(chǔ)。在納米材料的研究和發(fā)展過(guò)程中，人們已經(jīng)不再過(guò)于關(guān)注納米材料本身的合成，而是更多將納米材料進(jìn)行組裝，成為可以進(jìn)行設(shè)計(jì)、操控和裁剪的介尺度。所以，越來(lái)越多的研究著重于納米組裝體系，包括納米陣列、介孔晶體、薄膜鑲嵌體系、反應(yīng)過(guò)程等。如介孔晶體，由納米尺度的顆粒自組裝形成的高度有序的超結(jié)構(gòu)體系，具有介尺度（幾百納米至數(shù)微米），既有納米顆粒本身的性質(zhì)，又具有納米顆粒的界面耦合效應(yīng)。

二 “介尺度”的發(fā)展現(xiàn)狀

介尺度不僅指時(shí)間尺度也包括空間尺度，研究方法主要以計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)合方法為主。介尺度模擬的體系在空間和時(shí)間尺度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的分子模擬所能描述的體系，其用較大的粗?；瘑卧獊?lái)描述固體材料、各種流體和氣體，通過(guò)計(jì)算機(jī)的動(dòng)力學(xué)仿真來(lái)確定模型的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與動(dòng)力學(xué)演變過(guò)程。介尺度模型可以仿真實(shí)驗(yàn)處理?xiàng)l件（壓力、溫度、實(shí)驗(yàn)時(shí)間等）下微觀顆粒集合體、高分子聚合物或膠體溶液的化學(xué)形態(tài)、微觀形貌、相分離以及流變性等[5]。

目前，介尺度模型中比較常用的有以離散的運(yùn)動(dòng)論和統(tǒng)計(jì)力學(xué)為出發(fā)點(diǎn)來(lái)描述流體、模擬聚合物溶液的一種格子玻茲曼介尺度方法；一種可用于模擬牛頓流體和非牛頓流體、用來(lái)模擬流體相分離、界面活性劑等高分子于水中運(yùn)動(dòng)的耗散粒子動(dòng)力學(xué)；適于描述稀薄氣體的蒙特卡羅方法；用于天文學(xué)之星際模擬的平滑粒子水動(dòng)力學(xué)等。

此外，介尺度方法的研究已經(jīng)從理論、模擬計(jì)算領(lǐng)域邁向工程實(shí)際應(yīng)用，代表性的國(guó)內(nèi)發(fā)明專利如下：

2004年中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所發(fā)明專利CN1511786A公開(kāi)了一種介尺度有序雜化二氧化硅纖維，特別涉及結(jié)合溶膠-凝膠技術(shù)連續(xù)紡制具有高強(qiáng)度、高比表面積的介尺度有序雜化二氧化硅纖維，以及復(fù)合光、電、磁特性和催化活性物質(zhì)的衍生物的方法。通過(guò)控制表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)和濃度，可以實(shí)現(xiàn)介尺度結(jié)構(gòu)及尺寸的連續(xù)調(diào)節(jié)，纖維不僅具有良好的傳質(zhì)性能，還具有好的強(qiáng)度和孔尺寸的穩(wěn)定性。

2010年北京大學(xué)發(fā)明專利CN101877386A公開(kāi)了基于介尺度光學(xué)結(jié)構(gòu)的萬(wàn)向太陽(yáng)能電池，通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電池的襯底進(jìn)行粗化加工，形成介尺度結(jié)構(gòu)，使太陽(yáng)能電池在各種入射光角度下的光電轉(zhuǎn)換效率均得到提高，從而不需要外界跟蹤太陽(yáng)光的隨動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)了萬(wàn)向太陽(yáng)能電池。

2013年由天津市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院申請(qǐng)的發(fā)明專利CN103076335A公開(kāi)了水處理中，絮體污泥在介尺度下水動(dòng)力學(xué)和形貌演變機(jī)制的測(cè)試與裝置，提高不同尺度上絮體污泥評(píng)價(jià)結(jié)果的相關(guān)性，加深對(duì)絮體污泥行為與性狀變化的估計(jì)和機(jī)理認(rèn)識(shí)，優(yōu)化水處理反應(yīng)器的運(yùn)行效果。

三 結(jié) 語(yǔ)

介尺度的研究已經(jīng)在中國(guó)大地開(kāi)花、結(jié)果，但是我們?nèi)孕柚铝τ诮⒑桶l(fā)展以介尺度科學(xué)為基礎(chǔ)的各學(xué)科交叉的新體系，并進(jìn)而連接微觀與宏觀，實(shí)現(xiàn)多尺度的研究系統(tǒng)。筆者相信，包含介尺度的多尺度研究必將提高人們對(duì)物質(zhì)世界和過(guò)程的認(rèn)識(shí)、推進(jìn)我國(guó)科技事業(yè)快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] N. G. van Kampen， The expansion of the master equation[J]. Adv Chem Phys， 1976（34）： 245-309.

[2] 顧本源，顧雷.“介觀”系統(tǒng)中的量子相干性和輸運(yùn)[J].物理，1990（19）：586-590.

[3] 蔣平. 介觀物理學(xué)——物理學(xué)的一個(gè)新分支[J]. 物理，1991（20）： 15-18.

[4] 陳飛國(guó)， 葛蔚， 李靜海. 復(fù)雜多相流動(dòng)分子動(dòng)力學(xué)模擬在GPU 上的實(shí)現(xiàn)[J]. 中國(guó)科學(xué)， 2008（38）： 1120-1128.

[5] 杜建國(guó)， 李營(yíng)， 王傳遠(yuǎn)，等. 高壓地球科學(xué)[M]. 北京：地震出版社，2010：59-62.