【正文】 氣溶膠力學(xué)的新發(fā)展 當我初到劍橋接受了巴切勒的建議，要通過云物理向他的懸浮體力學(xué)靠攏時，我曾急切地問詢劍橋的朋友們，希望他們向我推薦一本懸浮體力學(xué)的參考書。借此機會，我再次問起他關(guān)于懸浮體力學(xué)的著書計劃。 他說他已放棄懸浮體力學(xué)著書的計劃，他建議我讀一讀羅塞爾等三人的這本書，他說，只要你讀了羅塞爾等人的書后，就會明白，他為什么要放棄自己的著書計劃?？雌饋恚颓欣帐翘t虛了。盡管富克斯的經(jīng)典名著《氣溶膠力學(xué)》的成就巨大，影響深遠，但他的書絕不是氣溶膠力學(xué)的終結(jié)。所以，富克斯不可能發(fā)展出雙球相互作用下的動力學(xué)。這觀點錯誤。當然訂正是必須的，否定它的存在則完全錯誤。這個困難 恰恰是由他所忽略的，粒子間長程的流體動力相互作用造成?？恐亓π纬傻牧Ｗ映两祫幽芡瑯佑捎谀芰坑邢薅鵁o法打破趨于無窮的黏性流體膜阻力?？上莻€時代對雙球低雷諾數(shù)流體力學(xué)的了解，還處在一個比較低的 水平，不可能給出像 1984 年杰弗瑞 和大西善元那樣精確的數(shù)據(jù)，德加金給出了一個十分粗糙的經(jīng)驗公式，來描述雙球流體動力相互作用引起的雙球相對布朗擴散系數(shù)隨距離變化的規(guī)律。顯然， 他這個結(jié)論更加錯誤，問題在于富克斯始終認為粒子間流體動力相互作用對粒子的布朗運動統(tǒng)計平均效應(yīng)為 0，因而雙球相對擴散系 數(shù)可以始終保持為常數(shù)，而不隨距離改變，更不會在近場為黏性流體膜阻衰減為 0。富克斯的這個源于孤粒子動力學(xué)的錯誤結(jié)論是到了應(yīng)該糾正的時候了。成為我那獲國家自然科學(xué)獎成果中的創(chuàng)新點 （ 4）。在此基礎(chǔ)上，我討論了雙球在外力作用下的相對運動，在粒子間勢力作用下的相對運動，以及雙球相對布朗擴散以及梯度擴散。第四點，富克斯的著眼點僅僅是氣溶膠粒子的運動，按照粒子不同性質(zhì)的運動把氣溶膠力學(xué)分類。）重點討論了對斯莫魯霍夫斯基兩種極限碰并理論的突破。這一部分里，我們主要介紹了巴切勒 1979 年的工作，這工作雖然仍以孤粒子理論為基礎(chǔ)，溫景嵩：創(chuàng)新話舊第 5 章 原 125146 頁 12 沒有發(fā)展到雙球階段，但仍有所突破。同樣很遺憾，富克斯書中也找不到這方面的材料。以上從粒子和介質(zhì)之間的相互關(guān)系把氣溶膠力學(xué)問題分成四大類。我們重點介紹了斯莫魯霍夫斯基 1916 年的布朗碰并粒子譜演變規(guī)律，弗瑞德蘭德 1960 年的相似理論，弗瑞德蘭德 1961－ 1969 的自維持理論，以及美籍教授，美國氣溶膠學(xué)會三個創(chuàng)始人之一的劉揚暉和懷特比（ Whitby） 1968 年的穩(wěn)態(tài)自維持相似理論。時間不短，但它還有生命力。 1999 年韓國光州理工學(xué)院環(huán)境工程系教授李揆元邀我到他那里做報告，他對巴切勒的這一套很感興趣，在我報告后他對我講，這是從另一種途經(jīng)來探討氣溶膠問題，有建立合作研究的必要。原來我的那本小書不僅對國際氣溶膠界起了作用，而且在國際膠體科學(xué)界也起了作用。不過這一次他們把這一研究對象改了個名字，既不叫懸浮體， 也不叫膠體，更不叫氣溶膠，水溶膠或液溶膠，而是叫“軟物質(zhì)（ Soft matter）”。我無法談得更具體，這要由搞軟物質(zhì)的物理學(xué)家去講 。因為到現(xiàn)在我還是不懂甚麼是軟物質(zhì)， 為甚麼膠體可以算作是軟物質(zhì)中重要的一類。） 。當然，現(xiàn)代物理學(xué)家們 把膠體歸為軟物質(zhì)中重要的一類，自有他們的道理，在這個意義上如果我那點關(guān)于膠體動力學(xué)的工作對于現(xiàn)代物理學(xué)家們研究軟物 質(zhì)時確 會有所幫助，我自然也是十分欣慰的。雖然我現(xiàn)在還不可能對之有更多的認識，但我相信，在現(xiàn)代物理學(xué)家們的手中，人們對懸浮體對膠體的理解，必定會有一個更光輝的新飛躍，這一點則確定無疑。由此在國際物理學(xué)界掀起了一股新的熱潮，形成了一個新的研究熱點。 （注：最近這兩年，在為《 JCIS》 等國際膠體科學(xué)刊物審稿時發(fā)現(xiàn)， 直到現(xiàn)在國際膠體科學(xué)界 的朋友們還在引用我這本小書，這本小書在國際上經(jīng)歷了十一年的考驗， 到現(xiàn)在還有它的應(yīng)用價值，這不能不使我感到非常高興。著名的歐洲膠體科學(xué)家，《膠體動力學(xué)導(dǎo)論》一書的作者東特曾對我們的書講過以溫景嵩：創(chuàng)新話舊第 5 章 原 125146 頁 13 下一段話，他說，當代在這個領(lǐng)域中做得最好最出色的人是巴切勒 ,但 巴切勒 的著作有一個缺點，就是深奧難懂。雖然售出的本數(shù)不多，這本小書不可能是暢銷書，但它能持續(xù)了九年，每年都有國際朋友在購買，這使 我感到十分高興。 以上是我的氣溶膠力學(xué)新書的五大部分簡要介紹，從中可以看出，盡管我們對氣溶膠的實驗研究，應(yīng)用研究與富克斯的書相比有很大差距，但從基礎(chǔ)研究領(lǐng)域看，我們的書較之富克斯的書卻更完整，反映出這一時期中的重要進展。但是它確是目前氣溶膠力學(xué)所關(guān)注的一個熱點。這很有道理，通觀富克斯的書，它完全 以氣溶膠粒子的各種運動為綱，把各種與氣溶膠粒子有關(guān)的材料組織在一起，而沒有從粒子和介質(zhì)之間的各種相互關(guān)系來把握問題，這是富克斯的又一局限性。我們書中記錄了這一重要要進展，而很遺憾，富 克斯書中卻找不到傳質(zhì)傳熱過程的材料，這是富克斯書的又一局限性。 而富克斯那里，卻仍然停留在兩種極限碰并理論上。（我們重點討論了重力，但外力也可以是其他力，如離心力，電場中的電場力等） (2) 粒子在各種力的作用下，相互碰撞并且粘連或并合在一起，從而從懸浮體中消失的過程。我們則突出了布朗運動的中心作用。但是 我有我的優(yōu)勢，我的優(yōu)勢 是在基礎(chǔ)研究上，不管是質(zhì)的方面，還是量的方面，都有我自己的特色。把巴切勒的工作引入到國際氣溶膠科學(xué)界，讓國際氣溶膠界認識到巴切勒的新發(fā)展，確很必要。本書前面已經(jīng)說明這觀點錯誤在于當存在布朗擴散過程時，個別的無規(guī)的布朗粒子運動必然會形成集體 的定向的粒子通量流，對這一通量流黏性流體必然會出現(xiàn) 反方向的阻力，最后在雙球間距離趨于 0 時而趨于無窮大。 80 年代，在杰弗瑞和大西善元的雙球遷移率數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，我讓當時的王永光同學(xué)重新計算了一遍，糾正了德加金數(shù)據(jù)偏大的錯誤。為要打破這個黏性流體膜阻力，也必須引入范德瓦爾斯分子引力勢，因為在黏性流體膜厚度趨于 0 時，粒子間的分子引力會比膜阻力更快的速度趨于無窮，無論是布朗碰并，還是重力碰并均如此。另一方面，在近場粒子間流體動力相互作用還造成更嚴重的影響，即：我們在上一節(jié)中提到的粒子間縫隙趨于 0 時，縫隙間的流體形成一個粘性流體膜，雙球低雷諾數(shù)流體力學(xué)證明這個膜的阻力會隨著膜的厚度趨于 0 而趨于無窮大，這對粒子的碰并過程具有非常嚴重的影響。富克斯在他的書中提到了，本書第四章中講到沉降時的三種研究方法兩種結(jié)果，一種結(jié)果預(yù)測阻滯沉降量和粒子體積濃度 ?的 1/3 次方成正比。一個粒子在重力的作用下下沉，它就會在 四周介質(zhì)中產(chǎn)生擾動流場，這個流場傳播到另一個粒子身上時，就會產(chǎn)生一個作用力，并且被反射回來，傳播到原來的粒子身上，對之又產(chǎn)生一個作用力，并再次被反射回來，如此循環(huán)往復(fù)。在《氣溶膠力學(xué)》一書中他宣稱，氣溶膠粒子間的相互作用，一般都是短程的，因而可以忽略不計。審視富克斯的氣溶膠力學(xué)，它存在著一個主要的局限性，即：它實際上是一部關(guān)于氣溶膠孤粒子動力學(xué)的書。 正像當年斯托克斯，愛因斯坦和斯莫魯霍夫斯基等人關(guān)于懸浮粒子的動力學(xué)研究，推動富克斯建立了他的氣溶膠力學(xué)新學(xué)科分支一樣。這真令人遺憾。他回贈我一本普林斯頓大學(xué)羅塞爾 , 薩維里和肖瓦爾特三位教授于 1989 年出的那本書：《膠體分散系統(tǒng)》。直到我 1982 年回國時，也沒聽說他啟動這個著書計劃。至此 ,我們可以看到巴切勒全面地發(fā)展了懸浮體力學(xué)理論 ,既發(fā)展了斯托克斯孤粒子沉降理論 ,又發(fā)展了愛因斯坦的孤粒子擴散理論 ,也發(fā)展了愛因斯坦的孤粒子有效粘性理論。另外， 在低皮克列特 數(shù)下作為一級近似，完全忽略了弱對流運動的對分布函數(shù)也是球?qū)ΨQ的沒有方向性（當粒子具勢時），或是均勻分布（當粒子是硬球，沒有粒子間勢時），在以上條件下，懸浮體作為均質(zhì)流體，才能繼續(xù)保持 牛頓流體的性質(zhì)，才會存在有效粘性系數(shù)，巴切勒和格林才能導(dǎo)出有效粘性系數(shù)的上面兩個計算公式。公式中右方第二項是愛因斯坦 1905 年孤粒子理論的修正，第三項是巴切勒和格林 1972 年雙球理論的修正。 本章第一節(jié)中已經(jīng)談到愛因 斯坦對懸浮體力學(xué)的貢獻是全面的，他不僅研究了懸浮粒子的布朗運動，而且也研究了懸浮體作為一個均質(zhì)流體，它的有效粘性系數(shù)增加的規(guī)律。粒子間相互作用的總的效應(yīng)確實為正，數(shù)值也與巴切勒 的理論預(yù)測，在誤差范圍內(nèi)基本一致。巴切勒證明粒子間相互作用主要是流體動力的相互作用，對這種梯度擴散的作用有兩方面，第一，和前面講的沉降中流體動力相互作用一樣，是由四周介質(zhì)的反向補償流造成，起阻滯作用。 溫景嵩：創(chuàng)新話舊第 5 章 原 125146 頁 8 另一個由巴切勒在 1976 年做出的對愛因斯坦 1905 年孤粒子布朗擴散理論的修正，是對單個粒子絕對布朗擴散的修正。 G 和 H 就分別增大到自己的極限值1。計算表明雙球間流體動力相互作用對雙球相對布朗擴散系數(shù)的重要影響，這是兩個隨雙球間距離增加而增加的單調(diào)上升函數(shù)， 在近場，由于低雷諾數(shù)