黏弹性相分离中的海岛反转模型

20世纪90年代，研究人员首次发现，在粘弹性材料混合物中，当适用合适的条件时，可以出现独特的相变，即相分离。在他的研究中，广岛大学(Hiroshima University)校友久保吉英(Yoshihide Kubo)提出了第一种对这些系统建模的稳健方法，避免了不必要的复杂性，同时产生了可以在实验中轻松复制的结果。他的工作解决了以前模型所面临的各种长期障碍，并可以帮助研究人员更好地理解软材料所表现出的各种物理特性。

当两种具有不同物理性质的液体完全混合时，所产生的液体可以显示出其独特的性质，这种性质在整个内部保持一致。然而，当施加合适的温度和浓度时，这两种流体可以通过“相分离”过程突然再次分离，从而显著改变整个混合物的性质。在此之前，人们已经知道相分离发生在各种各样的固体和流体系统中，这可以用数学模型很好地描述。然而在20世纪90年代，材料物理学家发现了一种全新的相分离方法。

他们的发现与“粘弹性”材料有关。这些材料既能像蜂蜜和糖浆一样抗流动，又能像橡胶一样在机械力作用下恢复到原来的形状。这种行为可以在“不对称”动力学的混合物的相分离中发现，其中包含一些缓慢移动的分子和其他移动得更快的分子。它在许多形式的“软物质”中特别常见:一类可变形材料，包括聚合物、液体和凝胶，它们的行为与固体类似，直到施加机械力。

在许多情况下，粘弹性相分离的非对称动力学特性源于流体混合物分子组分之间的大尺寸差异。或者，它们也可以在各种玻璃形成材料中产生，在这些材料中，硬的、脆的玻璃态和软的橡胶态之间存在很大的温度差异。由于这些独特的性质，以前用于描述固体和流体系统中相分离的模型不再适用于这种更复杂的情况。

海洋和岛屿
通过20世纪90年代的早期研究，研究人员首次观察到粘弹性相分离涉及到“海岛”结构的快速逆转，即一种流体的小液滴悬浮在其周围的大流体中。随着时间的推移，这些海洋和岛屿会翻转。当这种情况发生时，较大的流体会凝结成液滴或串珠，而其他流体会膨胀包围前者。在海洋向岛屿过渡的过程中，当海洋呈现出网状结构后，它就变成了岛屿。在粘弹性相分离过程中，从混合态到分离态的过渡阶段，观察到网状结构和海岛结构的反转。

粘弹性相分离涉及到“海岛”结构的快速逆转，一种流体的小液滴悬浮在其周围的大流体中。

这些模式的变化是由每一种流体中分子之间的长期连通性强烈驱动的。当环境条件超过一定的阈值时，这种连通性的性质会突然发生变化，从而改变液体的物理性质。这种独特的性质是“溶胶-凝胶”过程的特征，在这种过程中，悬浮在液体中的聚合物形成的分子转变为由完整的聚合物网络组成的凝胶。然而，当粘弹性相分离首次被发现时，它的特性被证明远比其他类型的相分离更难建模。这个问题一直持续到今天。到目前为止，这些困难阻碍了研究人员和制造商利用其独特的特性进行有用的应用。

复杂模型的利弊
尽管有这些困难，久保良英建立一个更可靠模型的努力已经建立在强大的数学基础上。为研究粘弹性相分离而建立的第一个模型是“双流体”模型，该模型考虑了由大的、复杂的聚合物分子和较小的溶剂分子组成的溶剂中如何产生动态不对称。这种方法强烈地基于对这些粒子之间连通性的考虑。因此，描述两种材料运动的方程表达了施加在它们身上的机械应力和它们扩散速度之间的联系。

另外，其他模型更直接地考虑了相分离过程中混合物的粘弹性特性。有一种模型考虑的是在去除机械应力后混合物是如何松弛的，而另一种方法则通过将粒子之间的相互作用视为微小弹簧来近似它们的动力学——在相分离过程中，微小弹簧可能会断开。通过进一步的研究，研究人员表明该模型家族可以成功地预测粘弹性相分离的真实观测结果。然而，尽管有这些优势，这些方法的复杂性使得研究人员很难将其整合到模拟中——这严重限制了它们的适用性。

简单模型的成功有限
在发展这些模型的同时，其他的研究也旨在更直观地模拟粘弹性相分离。这些努力将基于直接近似动力学不对称的数学框架，而不考虑造成它们的物理性质。为了做到这一点，研究人员在这些研究中引入了一个名为“流动性函数”的方程，在这个方程中，混合物中两种流体的运动取决于它们的浓度，而不是更复杂的潜在因素。

利用这种方法，研究人员可以在不考虑粘弹性物理的情况下，预测具有粘弹性相分离特征的海岛模式的演化。由于其简单性，该过程最重要的结果可以压缩成一个单一的方程，使研究人员更容易在流体动力学模拟中实现。然而，使用移动功能所带来的简单性也有其缺点。由于缺少真实世界现象的基础，这些模型的结果不太可能反映真实的实验结果，这使得研究人员更难从他们的模拟中做出可靠的预测。

建立一个免费能源模型
这两种建模粘弹性相分离复杂性的方法使研究人员能够探索自最初发现以来这种现象的许多独特特征。然而，最终，由于它们的缺点，长期以来需要一种更复杂的方法，这种方法既准确，又易于在模拟中实现。通过他最新的研究，久保先生发现，这些目标可以通过对描述粘弹性相分离过程中混合物“自由能”的数学方程的一个小改变来实现。

该团队的自由能模型考虑了一个名为“化学势”的值，而不是像弹性弛豫或粒子动力学的直接变化这样的参数。

自由能是指在保持系统温度和压力不变或温度和体积不变的情况下，热力学系统所能获得的最大能量。通过他们的计算，久保和他的同事证明了他们提出的对其描述的修改可以保持代表分离混合物动力学的参数不变，即使它的物理性质随着时间的推移而变化。然而，该团队的自由能模型并没有模拟弹性弛豫或粒子动力学的直接变化等参数，而是考虑了一个名为“化学势”的值——描述了当粒子的数量发生相变时，吸收或释放的能量量。

化学势计算
利用最新的方法，久保先生的团队现在已经考虑了如何在粘弹性相分离过程中增强混合物内部的流动，从而导致其化学势的跃升。重要的是，如果环境条件不变，这种跳跃只能发生在成分基本相同的混合物中。因此，通过调整混合物的组成，研究人员能够在他们的模拟中精确地控制动态不对称，而无需考虑更复杂的物理特性。

这些优点使研究人员能够微调他们的模拟，以产生特定的海岛模式，从而使他们能够设计具有特定物理性质的混合物。他们对自由能和化学势的考虑甚至让他们重现了稀乳化液体溶液中发现的奇怪模式——当相变展开时，在它们的岛结构周围形成环状。总的来说，该小组的结果表明，有必要重新思考粘弹性相分离的物理原理。这将涉及以自由能(这是一个静态物理量，而不是其他效应，如动态不对称或粘弹性效应)为中心建立模型。

Kubo的模型认为在过渡浓度处发生了大的流动，说明由浓度变化引起的相转变是导致海岛结构反转的原因。此外，由于可以看出凝胶的自由能模型也有化学势的跃迁，可能有必要将海岛结构的逆转与凝胶或类似凝胶的微观网络联系起来。

改善了未来研究的前景
通过在模型中解释久保的发现，未来研究粘弹性相分离的研究人员可能很快就能更好地理解它的独特特性是如何随材料组成而变化的。他们还可以获得精细调整动态不对称混合物的能力，使其在相分离过程中表现出特定的特性，使其适用于各种各样的应用。如果应用到制造过程中，这些用途可能包括制造强烈排斥水的疏水表面的新方法，可以在微观尺度上过滤液体混合物的膜，以及色谱中色素分离的新方法。