狭缝中的流体.PDFVIP

狹縫中的流體 文/詹佳玲、伊林 本集為電漿特集，各位一定覺得奇怪為何會有此看來相去甚遠的題目，謹請各位耐心以待。 一、狹縫中的流體 結構(約三層)；當狹縫寬度降至約六倍分子間距以 下，所有分子排裂成層狀結構，且系統的馳豫時間大 在我們的生活經驗中，液體的行為迥異於固體， 幅增加，動力行為變得十分遲緩。為何液體在小尺度 固體受到微小外力時產生彈變(elastic deformation，即 的侷限下不再像液體？動力行為的遲緩現象是否與黏 外力移除時回到原形)，僅在外力大於一臨界值時才產 滯增強有關？其微觀的結構與動力行為究竟與在大尺 生塑變(plastic deformation，即外力移除時仍維持受力 度下有何差異？穩定外加剪力驅動下，其速度是否仍 改變的形狀)；而液體不論外力大小均可產生塑變，無 隨剪力大小維持線性關係且其流場梯度是否仍如在巨 彈性可言，故老子甚讚水之柔弱。上述的特性亦為判 觀侷限尺度下般與橫向位置無關？上述諸問題的微觀 斷物質是否處於液態或固態的基準。因此，液體可充 源頭為何？均為有趣的基礎物理問題；不幸的是自然 盈於任何形狀的容器中，變化無端，無怪乎智者樂水； 界中的液體分子間距太小，無法透過直接觀測，探究 而流體力學的問題，亦成為物理中難解的重要課題。 液體間在分子尺度的微觀結構與動力行為，上述的層 我們在此可提出一個基本的問題，塑變與彈變的微觀 狀結構與動力遲緩實驗，多半透過 X 光或中子散射進 起源點究竟為何？ 行 [2,3,4]。 若將液體置於狹縫中，並減低狹縫的寬度，液體 從理論的觀點，上述的現象亦為一極大的挑戰。 是否仍保持獨具的塑變特性？研究者做了一個簡單的 處理液體或流體的問題，有兩種手法，傳統上，我們 實驗如下：將侷限液體的二平行夾板相互沿剪切向交 將之視為連續體，可用 Navier-Stokes 偏微方程處理 變移動，量測液體作用在侷限板上的反應力，同相位 之，其非線性項即令人頭痛不已，而降到介觀小尺度 的力為彈力，九十度異相的力則為黏滯力 [1]。研究 時，連續極限的概念，不再適用。換言之，離散的分 的結果顯示，當狹縫的寬度逐漸降低時，液體越變越 子，令人無法再將液體視為均勻的連續體；液體的密 黏。而在數埃寬度時，液體展現與在巨觀寬度侷限下 度與固體相近，分子與分子間的作用力，仍然強大， 迥異的特性：當二板的位移幅度小於數埃時，彈力為