什麼是流變學以及何謂黏彈性流體？ (What Is Rheology and What Is Viscoelastic Liquid?)

流變學 (rheology) 是一門研究流體的科學 (the science of fluids) 或者探討物質流動和變形的科學 (the science of flow and deformation)，屬於物理學範疇。"rheos" 一字源自於西臘，代表河流、流動的意思。更精確地說，流變學是研究材料 (固體、液體、氣體) 之 "流動" 和 "變形" 之科學。流變在中文的字義亦可解釋成，材料一但歷經流動，性質即產生變化。

理想的材料可分為兩類 (見 Fig. 1 的表格)，包括理想的固體與流體。理想的固體形變後，可恢復其原來形狀，施加的能量也能完全回復；理想的流體 (液體和氣體) 形變後，無法恢復其原來形狀，且施加的能量會以熱的形式耗散 (heat dissipation)。我們平常所接觸的真實材料，既不是理想的彈性固體，也不是理想的黏性流體，它們是具不同程度的黏彈性流體。

Figure 1

Figure 2 是黏彈性流體之彈性回縮 (elastic recoil) 現象，清楚展示高分子流體具有部分的彈性，也具有部分的黏性。當管中驅動壓力移除後 (Fig. 2 的第 4 張相片)，高分子流體將部分回縮，最終停止 (第 5 至 8 張相片)。彈性回縮之分子成因可解單解釋如下，當流場停止後，微觀下具方向性且被拉伸的分子鏈逐漸恢復至平衡狀態之球對稱構形，此微觀行為造成巨觀的彈性回縮現象。另外，擠出物膨脹 (extrudate swell) 也是彈性效應，高分子於出口處，由於不受管壁侷限影響而進行自由膨脹之現象。

Figure 2

大部分的人認為，流變學等於黏度量測，所以認為流變學是相當狹礙的學科。事實上，欲精通流變學並不是那麼簡單，我們將在往後慢慢揭開其神秘面紗。

簡單來說，流變學家 (rheologist) 對發展描述高分子流體 (polymeric liquids) 之本質方質式 (constitutive equations) 比較有興趣，並利用相對標準、簡單的流場來表徵流體之性質，例如，流變儀 (rheometer) 產生的簡單剪切流場 (simple shear flow) 或單軸拉伸流場 (uniaxial extensional flow)。由於流場夠簡單，所以結果探討無需涉及複雜幾何之流體力學計算 (computational fluid dynamics, CFD)。反觀，非牛頓流體力學家則對流體本質方程式結合運動方程式 (equation of motion) 和邊界條件 (boundary conditions) 後的預測和分析有興趣，例如，流場 (flow field) 和流體不穩定性 (fluid instability)。

若想要了解流變學，可分別從巨觀或微觀的角度著手。微觀將影響巨觀，而巨觀的行為，往往可以透過微觀的分子角度解釋之。巨觀的角度是基於古典連續體學 (classical continuum mechanics)，微觀則是分子理論 (molecular theory)。所謂的連續體學是不考慮微觀複雜之分子交互作用 (chain interactions) 以及實際分子結構 (chain architecture)，只把流體視為一個整體的均勻物體 (bulk isotropic object)；反觀，分子動態學則是基於實際分子結構以及分子運動機制 (molecular motions) 進行模型推衍，因此能更加精確地描述流體之巨觀流動特性。本部落格主要以連續體學的角度進行撰寫，必要時輔以分子理論加以說明。