復雜流體的中國坐標——中科院微重力重點實驗室徐升華研究員專訪

本刊記者 薛海峰

改變，發(fā)生自這一個十年。

作為物理力學的重要研究方向之一，復雜流體研究的突破也刻下了耀眼的“中國坐標”。物理與力學結合，微觀與宏觀結合，理論與創(chuàng)新實驗手段結合，研究成果未來將有可能解密紅細胞聚集、血栓形成的起因；開拓在廢水處理、江河泥沙沉積、泥石流預防等方面的解決途徑；揭示納米材料，晶體生長的奧秘……滲透到社會生活的方方面面。隨著這個新興交叉學科的高歌猛進，中科院力學所的一位80后的研究員——徐升華，也走進了這個神奇領域的“聚光燈”下。

神奇誘人的復雜流體

對于普通百姓而言，“復雜流體”，這是一個相當生僻艱澀的概念。徐升華研究員耐心地為我們做了較為通俗的介紹：“人們對單相介質(zhì)構成的普通流體，比如水的表現(xiàn)已習以為常。但當有不同介質(zhì)加入后，其特性有時會很不尋常。

這方面的例子很多，比如：芝麻醬（芝麻的微小顆粒分數(shù)在水中）攪拌后會變得更粘稠，這種現(xiàn)象叫“切稠”，即在外力(切力或切速)作用下體系的粘度升高。而普通的水就不會這樣。人們利用“切稠”作用研制了防彈衣，當子彈射入時，飛快的切速會產(chǎn)生極大的阻力使之停下來。另一個例子是電流變液，通常是由具有高介電常數(shù)的固體微粒均勻分散在低介電常數(shù)的絕緣油中組成。它在電場的作用下可發(fā)生由液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變。這種特性可以應用于剎車等制動裝置。因為它可隨施加的電壓不同而改變其強度，在仿生智能材料方面具有誘人的應用前景，可以具有硬軟程度可根據(jù)需要而調(diào)節(jié)，類似肌肉的特性。人們也知道，當江河水卷著泥沙奔流而下時，來到鹽堿地帶會突然聚集沉淀造成河道淤積，這是因為泥沙顆粒原來的電排斥力避免了因相互吸引碰撞而聚集沉降，而鹽堿則使顆粒間排斥力變成吸引力，顆粒就會沾在一起沉降。實際上，復雜流體涵蓋的范圍很廣，是界于理想固體和理想流體之間的非單相物質(zhì)體系，由于結構變化需要克服的位壘很低，其內(nèi)部?？梢栽诮橛^(mesoscopic)尺度上，形成不同形式的結構。復雜流體多變的宏觀特性正是與這種內(nèi)部結構變化相關聯(lián)的。

從物理學上，人們更關注復雜流體作為軟物質(zhì)的特性，特別是其對外界微小作用的敏感和非線性響應，豐富的相行為及自組織現(xiàn)象。例如，分散于連續(xù)的液態(tài)介質(zhì)中的膠體粒子在一定條件下可以形成二維或三維的周期性有序結構，稱之為膠體晶體。其結構與通常的晶體相似。實際上，自然界中存在的光艷奪目的蛋白石(opal)就是一種由二氧化硅球形微粒規(guī)則堆積成的膠體晶體。膠體粒子這種自動形成的有序納米級結構剛好可以作為制備當前十分熱門的光子晶體的模板。

納米粒子的自組裝過程也為常用所謂自下而上的方式，構建納米器件或復雜功能體系的途徑提供了借鑒。人們還發(fā)現(xiàn)，膠體粒子在形成有序結構過程中表現(xiàn)出來的行為與原子分子的相行為十分相似。而且介觀大小的粒子要比原子大得多，相應的各種弛豫時間慢得多，有利于觀察和測量，近年來已成為研究凝聚態(tài)物理一些基本過程的理想模型體系。顯然，復雜流體是一門交叉學科，作為常見的、又影響廣泛的物質(zhì)形態(tài)，對其研究既有重要理論意義也具有廣泛的實用價值，可以說，這個神秘誘人的科研領域蘊藏著巨大的社會財富。

潛心向前，只因一顆“好奇心”

想在一個多學科交叉的科研方向上“探秘尋寶”，過程的枯燥與艱辛可想而知。當記者問及徐升華研究員的感受，他爽朗地笑了“我并沒什么畏難想法，從求學到工作，都是由求知的欲望和興趣驅(qū)動的”。

那么，徐升華研究員又是如何與復雜流體結緣的呢？

1996年，他順利地進入中國科學技術大學少年班系學習。以“精英教育”為目標的少年班，設置了全面的基礎課程，物理、數(shù)學、計算機均與三個專業(yè)的基礎專業(yè)課基本一致。堅實的基礎為其隨后的發(fā)展創(chuàng)造了條件。

大三以后，徐升華選擇了物理系光學專業(yè)。在研究生階段，恰逢中科院力學所孫祉偉研究員在科大物理系推進了利用光鑷從微觀層次研究膠體粒子聚集過程的研究。徐升華以極大的興趣參加了這項研究，并從此與孫教授結下了不解之緣。孫教授曾在美國加州大學伯克利分校及洛倫茲伯克利國家實驗室工作多年。于上世紀90年代中，由胡文瑞院士建議，經(jīng)中科院副院長胡啟恒親自寫信邀請，回國參加了國家微重力實驗室的籌建工作，并在廣泛調(diào)研基礎上，提出把復雜流體作為微重力實驗室的一個新的研究方向，開始了籌建工作。博士畢業(yè)后，徐升華作為博士后，跟隨孫先生來到了力學所微重力實驗室，繼續(xù)復雜流體的研究工作。2007年，徐升華博士后出站，被聘為副研究員，五年后升為研究員。2008年，復雜流體課題組正式成立后，徐升華即為首任課題組組長。現(xiàn)在也是中科院青年創(chuàng)新促進會會員。

那么，復雜流體又與微重力有哪些關聯(lián)呢？

徐升華為我們詳細解釋說“在重力環(huán)境中，沉降、對流、分層、靜壓力等效應常會掩蓋復雜流體自身的行為特征。而在微重力條件提供了更能清楚地認識復雜流體的本質(zhì)性規(guī)律的機會。國際上，復雜流體在空間微重力研究中也占有相當大的比重。內(nèi)容包括：膠體粒子聚集、無序-有序相變、磁流變流體、泡沫動力學、顆粒物質(zhì)等等。美國航天局把復雜流體列為重要的微重力研究內(nèi)容，在膠體晶體等多方面開展了一系列研究；歐洲和日本也相繼開展了許多工作。歐空局科學家早在上世紀九十年代就曾利用探空火箭研究了重力對聚集行為的影響?！?/p>

國際認可，源于科研創(chuàng)新實力

復雜流體課題組一直秉承著物理與力學結合，微觀與宏觀結合，理論與創(chuàng)新實驗手段結合的研究思路，在懸浮粒子體系的聚集、穩(wěn)定、膠體相變，界面過程等方向做出了一系列開創(chuàng)性的工作。徐升華本人至今已發(fā)表SCI論文40余篇，其中相當部分為相關領域影響因子前15%刊物，應邀為國際著名雜志寫過評論性文章，撰寫了兩本專著相關章節(jié)。主持和參與了多個科研項目，包括實踐十號的一項中歐合作項目，國家自然科學基金重點項目和面上項目，中科院儀器設備功能開發(fā)技術創(chuàng)新項目等。

徐升華說：“面對復雜流體，作為一支新軍，如何打開局面，走向前沿，并不容易。只能集中力量先從一些個別點去突破，然后再向縱深擴展?！?/p>

膠體粒子體系的聚集與穩(wěn)定性是膠體科學中的重要問題，絕對聚集速率是表征體系聚集快慢的重要參量，而最常用的濁度法測量卻在測量較大粒子和準確度上一直存在問題。課題組從濁度法的物理本質(zhì)出發(fā)，提出了判斷理論處理適用性的判據(jù)，并通過應用T矩陣方法和折射率修正，解決了精確計算雙粒子聚集體的消光截面的難題，使得濁度法測量可以不再受到粒子大小的限制，從而大幅度改進了濁度法測量的范圍和準確度。隨后這種方法也被國際同行廣泛采用。同時，通過實驗研究和理論分析的對比，課題組還首次指出了濁度法測量存在盲區(qū)的概念。他們還進一步將相關結果拓展到不同粒子的異相聚集過程的研究中；并深入研究了多重散射和前向散射等因素對絕對聚集速率測量的影響，給出了多重散射和前散射影響的相關理論分析公式和相應的誤差允許范圍。另一方面，課題組還利用光鑷操控粒子，人為地誘導粒子碰撞，提出從微觀角度估算聚集速率的方法。在高端學術刊物“Advances in Colloid and Interface Science”（影響因子8.120）的一篇評論性文章中，用了相當大的篇幅對這一系列開創(chuàng)性的工作做了高度評價。

100多年前提出的奧氏分步律，是晶體生長中的重要經(jīng)驗規(guī)律。雖絕大多數(shù)實驗都支持該規(guī)律，卻也有個別例外，是否具有普適性也從未得到嚴格證明。由于國際上把膠體相變作為研究晶生長規(guī)律的模型體系，對膠體相變是否遵守該規(guī)律十分重視。但一直沒人能證實。就此問題，課題組創(chuàng)造性地改進了反射光譜測量方法，把確定膠體晶體結構的速率大幅度提高了三個數(shù)量級，從而一舉發(fā)現(xiàn)了體系從無序到穩(wěn)態(tài)fcc結構需要經(jīng)歷亞穩(wěn)態(tài)bcc結構，驗證了膠體相變遵守奧氏分步規(guī)則；此外，定量驗證了體系的穩(wěn)態(tài)fc c結構均從亞穩(wěn)態(tài)的bcc結構轉(zhuǎn)化而來，并指出亞穩(wěn)態(tài)有一個體積分數(shù)的觀察窗口，為“不符合”奧氏分步規(guī)則的體系提供了可能的解釋。也就是說，有時亞穩(wěn)態(tài)的存在時間太短，如果測試手段不夠快的話，就有可能觀察不到實際存在的亞穩(wěn)態(tài)。因此觀察不到亞穩(wěn)態(tài)，很可能是觀測手段不夠快，而不一定是奧氏分步律不對。該研究受到國際上相關領域?qū)＜业闹匾暋?/p>

國際著名專家、膠體與界面科學家協(xié)會主席、英國皇家化學會的Brian Vincent更指出，這些關于亞穩(wěn)結構存在的結果很可能對于制藥工業(yè)有重大的商業(yè)價值。

寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來。多年來在這個多學科交叉研究領域的耕耘，獲得了越多越多的認可，課題組的研究成果開始被不同領域?qū)W術期刊廣泛引用。

徐升華特別指出“我們十分重視國際交流，但并不盲從。例如，歐空局科學家在上世紀末就曾利用探空火箭創(chuàng)造的微重力條件，研究了重力對膠體粒子聚集行為的影響，并得出無重力時的聚集速率會比重力條件下的快近8倍的結論。然而，我們的深入研究，包括計算機模擬，證明他們在實驗和理論推導上都存在嚴重問題，結論是錯誤的。另一個例子是日本科學家曾斷言反射光譜測量方法只能用來確定晶格常數(shù)，但不可能用來確定晶體的類型。我們則推翻了他們的結論，通過把光譜線在波長空間轉(zhuǎn)換到波矢空間的辦法，成功用反射光譜實現(xiàn)了對晶體結構的快速測量，進而對膠體晶體驗證了奧氏經(jīng)驗規(guī)律。正是這種不斷的創(chuàng)新性思維，使我們的團隊在國際學術界得到了尊重?！?/p>

節(jié)節(jié)開花，僅僅是個開始

精細的研究能力、卓越的創(chuàng)新能力，結出了豐碩的果實。然而榮譽與注目，并沒有讓這個80后科研尖兵居功自傲。在采訪中，徐升華研究員反復強調(diào)：“孫祉偉老師對我影響很大，他嚴謹?shù)膶W風，深刻的洞察力，為我和其他學生樹立了榜樣。他強調(diào)物理概念，創(chuàng)新思維，抓問題本質(zhì)，兼顧局部和全局，把握大方向的思維模式使我受益匪淺。往往在研究的迷失中找到解決問題的出路。我成長到今天與孫老師的諄諄教誨，包括有時是直言不諱的批評分不開的。而且，我們的成績不能都記在我個人的功勞薄上，而是全組成員共同努力的結果。難得的機遇，難求的伯樂，也都使我少受了許多挫折，我沒有絲毫驕傲的本錢。何況，我們在復雜流體科學探索的路上才剛剛起步，獎勵與肯定已經(jīng)成為過去，我們的征途還僅僅是開始。”

面對未來的科研長路，徐升華研究員滿含憧憬，他與團隊伙伴已經(jīng)明確未來的研究目標和攻關方向，還將通過系統(tǒng)深入的工作，爭取進一步拓展我國在復雜流體研究領域國際影響力。不盲目樂觀，也不畏縮不前，即使路途坎坷，也要將迎面而來的挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)化為不斷超越自我的正向能量。

時不待我，只爭朝夕。面對奔涌向前的世界浪潮，科技創(chuàng)新成為了社會發(fā)展的主要驅(qū)動力。而此時此刻，正因為有了徐升華研究員這樣一批銳意進取的科學家，中國才有可能在未來全球科技圖譜中，擁有更為耀眼的坐標。