以塑料、橡胶和纤维三大合成材料为代表的高分子材料给人类生活带来了翻天覆地的变化。仅以塑料为例，进入20 世纪90 年代以来，世界材料结构发生了很大的变化，塑钢比逐年提高。

塑料已经成为世界1000 年来改变人类生活与面貌的100 项重大发明之一。作为高分子材料制造工业迅速发展的国家，我国每年有近亿吨的高分子材料需要有效地进行加工成型。

虽然我国高分子通用制品的生产能力较强，但是诸多高端产品的质量和性能却长期落后于美国、日本、欧洲等发达国家和地区，特别是一些高技术产品还受制于人，而恰恰这些产品的使用面极广，涉及国防、信息、医疗、能源、航空航天等领域。

高分子加工成型包括高分子材料熔融/塑化、剪切/拉伸流动和冷却固化三个基本过程，其核心为高分子熔体的流动与变形。然而，我国薄弱的高分子流体动力学基础研究成为制约高分子材料加工成型技术发展的一个重要瓶颈。

高分子流体动力学是通过不断吸纳物理学和数学的最新研究成果，利用计算科学发展产出的强大计算能力，理论与实验研究伴生并行、相互促进，逐渐构建和完善自身的理论体系，并将其应用于高分子相关领域中，逐步形成的高分子科学中不可或缺的基础性子学科。其研究过程中积累的知识是人类探索自然规律和非线性黏弹现象的主要手段之一，在解决长期以来存在于高分子材料科学、生命科学、药物科学等领域中重大挑战性难题方面发挥了重要作用。

高分子溶液（特别是高分子稀溶液）一直受到高分子物理化学家和凝聚态物理学家的广泛关注，如爱因斯坦（Albert Einstein）、德拜（Peter Joseph William Debye）、弗洛里（Paul John Flory）、劳斯（Prince Earl Rouse）、齐姆（Bruno Hasbrouck Zimm）和山川（Hiromi Yamakawa）等。然而，传统理论只能采用二体相互作用近似代替高分子链与溶剂间的相互作用，无法描述超支化等复杂拓扑结构高分子链的流体动力学性质。因此，亟须从单分子水平上理解高分子稀溶液的基本性质，建立一个普适性的高分子稀溶液理论，以满足超支化等新型高分子链拓扑结构和分子量表征的迫切需求。

高分子熔体是高分子科学研究的主体。早期人们提出了由理想弹簧（描述弹性性质）与理想黏壶（描述黏性性质）串联的麦克斯韦模型（Maxwell model）和并联的沃伊特- 开尔文模型（Voigt-Kelvin model），以及利用弹簧和黏壶串并联组成的多元模型。

后来，人们注意到高分子体系的长链特性和链的不可穿越性（缠结效应），开始从分子水平上理解高分子熔体体系的黏弹行为。在高分子流变学发展初期，人们把缠结高分子流体处理成一种瞬态弹性网络，其后根据高分子体系和其他黏弹性（viscoelasticity）材料的具体性质，建立了较成熟的瞬态网络模型（transient network model，TNM）。

20 世纪70 年代，德热纳（Pierre-Gilles de Gennes）开创性地提出了高分子链蠕动（reptation）的概念。随后，土井正男（Masao Doi）和爱德华兹（Samuel Frederick Edwards）等将高分子链间不可穿越性导致的复杂多链相互作用等效成一条光滑、无势垒的管道对测试分子链的限制作用，并建立了描述缠结高分子流体的管子模型（tube model）。

值得指出的是，经典管子模型能够很好地描述缠结高分子流体的平衡态和近平衡态性质。然而，近期实验与计算机模拟研究发现，一些重要的非线性流变学现象（特别是在快速、大形变条件下）却不能基于管子模型来解释。而大多数高分子材料的加工成型都是在快速、大形变条件下进行的，因此亟须建立能够描述快速、大形变条件下的缠结高分子流体非线性流变学理论。

虽然上述问题在几十年前就得到欧洲、美国、日本等国家或地区杰出物理化学家和物理学家的高度关注，但是由于受到当时实验技术和计算机模拟技术等限制，一直没有达到预期目标。随着单分子示踪技术与高性能计算机软硬件技术的发展，未来10～20 年必将成为高分子流体动力学研究的黄金时期，我国应该抓住同期“起跑”、实现新材料研发跨越式发展的历史机遇，显著提升高分子材料研发的原始创新能力，缩小我国新材料研发和欧洲、美国、日本等发达国家或地区的差距。

高分子流体动力学所蕴含的基础知识已经渗入科学技术和经济社会发展的诸多方面。一般来说，高分子加工成型就是控制高分子熔体的流动和变形。因此，发展高分子新材料高端加工成型技术的学科基础是高分子流体动力学（流变学）。

然而，我国薄弱的高分子流体动力学（流变学）基础研究逐渐成为制约高分子材料加工成型技术发展的一个重要瓶颈。特别是，为满足日益苛刻的性能需求，将高分子与其他高分子或填料进行共混和复合是一种简单而有效的策略。针对高分子共混体系，其性能不仅与其相结构和热力学性质相关，还依赖于（界面处）高分子链间的缠结结构及动力学行为。

针对高分子与纳米粒子的复合体系，一方面，其性能的提高与纳米粒子在高分子基体中的分散程度、纳米粒子自身特性、纳米粒子扩散动力学行为、高分子链段松弛动力学行为等因素有关；另一方面，在加工成型过程中，其经历的快速、大形变过程使高分子链构象和纳米粒子的空间分布远离平衡态，将导致高分子与纳米粒子的复合体系呈现出与经历热力学平衡的体系截然不同的性质。

更重要的是，纳米粒子的运动与高分子链缠结网络相互影响，其动力学行为相互耦合，呈现出复杂的时空多尺度特征。目前，我国国防与重大基础前沿领域存在高分子及其复合材料设计和加工成型的诸多重要问题，如高档配套产品相对较少，高技术、高附加值产品相对稀缺，产品质量不稳定等。这些问题严重制约了我国相关技术的发展和产品的竞争力。因此，需要开展跨学科、跨领域的研究，以理论/计算/实验/数据库相融合的协同创新研发方法为基本理念，通过与相关企业深入合作，实现将实验室的高新技术向产业转移，解决技术应用及产业化过程中的瓶颈问题，最终形成自主知识产权，促成我国新材料研发领域的跨越式发展。

现代科学处在一个既高度分化又高度综合的时代，高分子流体动力学是一门既相对古老又继续充当高分子科学重大前沿领域，并推动高分子科学与产业结合的基础性科学。在国家投入增加和科研队伍迅速壮大的情况下，我国高分子流体动力学研究在过去十几年中有了长足的进步，已逐步发展成为实验、模拟、理论三方面协同的科学。

其进步主要表现在三个方面：一是研究对象从简化模型向真实复杂体系和真实过程逐步逼近；二是研究目标从对问题的定性分析走向定量分析；三是研究方法已经从唯象描述性研究阶段转变为对复杂现象的分子机制和普适性规律进行探索，并利用这些机制和规律服务于国民经济发展与国家重大需求。然而，我国高分子流体动力学与欧洲、美国、日本等发达国家或地区还存在较大的差距，主要表现在：原创性研究成果不多，处于国际前沿、在所在领域有重要影响的顶尖学者较少，立足于我国国情的系统性与独创性基础尚未夯实，存在急于求成、急功近利的短时观念。

从发展态势来看，高分子流体动力学关注高分子材料结构与性能的关系，微观与宏观高分子流体动力学之间相互渗透和融合；研究重心从静态结构逐步转向动态过程，从平衡态研究逐步转向非平衡态研究，从简单单一模式逐步转向多模式、多场的耦合；开始高度关注生物大分子的动力学过程，与生命现象相关的复杂动力学过程成为研究焦点。

高分子流体动力学是不同空间尺度和时间尺度相互耦合、跨学科的基础科学，是复杂体系的重要分支之一。从质的方面讲，高分子流体动力学目前已经具备处理更复杂的实际问题的能力，能够对很多体系和过程的计算结果给出可靠的误差估计；从量的方面讲，高分子流体动力学在高分子科学中发挥的作用在逐步扩大，科研人员采用实验、模拟与理论计算紧密结合的研究方法已成为常态。

因此，其科学内容和发展目标主要体现在以下三个层面：①观测和发现高分子流体的复杂现象；②针对不同高分子流体体系建立准确描述其运动规律的模型或理论，为构建高分子材料战略性新兴产业奠定理论基础；③探索高分子流体体系的一般运动规律，使之成为高分子科学和生命科学发展的奠基性理论之一。本书结合高分子流体动力学未来5～10 年的发展趋势，提出了五个可能的突破口和新的学科生长点，分别是：①缠结高分子流体的链- 链相互作用与链拓扑结构的演化；②缠结高分子流体流变学的动态自洽场理论；③非高斯链的数值计算方法与理论；④复杂高分子流体微结构演化及其流变性能；⑤受限高分子流体的动力学。

由于塑料、橡胶和纤维等高分子材料在基础研究中的重大意义和在经济社会发展中不可替代的战略地位，高分子科学得到迅猛发展，同时在发展中也产生了一系列与之相关的物理问题，亟待深入认识与解决。

在实验方面，过去很长时间的研究都集中在线性黏弹性及其方法方面，重点研究高分子材料的一些唯象模型，然后提出类似描述橡胶弹性网络的定性水平的分子图像。针对高分子熔体，我国大多数研究组的研究重点在探索如何描述离位或原位剪切/拉伸变形与流动场的有效方法，以及如何具体地消除某种材料的边界不稳定性、内应力等。然而，人们往往没有真正关注复杂流变过程、缠结高分子流体的缠结演化过程和拉伸过程中所伴随的几何压缩效应、应变硬化、剪切分层等，以及挤出、挤压与拉伸过程中出现的应变局域化和破损等典型问题。

在模拟与计算方面，人们在过去几十年中发展了不同尺度的计算机模拟方法。然而，从近些年发表的研究工作来看，这些模拟方法越来越成为验证实验与理论结果并预言新的实验现象的有效手段。特别是，我国目前多以计算机模拟发现具体的流变学现象为主，更深层次的物理问题很少涉及，且很少处理工业界真正高度关注的问题。理论计算结果通常不能作为独立的科学论据，只能作为重要的佐证或旁证。对复杂体系研究的计算结果与实验结果不一致时，无法判断是物理模型有缺陷还是实验方法或实验仪器本身存在问题。

另外，超大尺度的空间和时间模拟计算量极大，计算量与精度难以兼顾。发展高效率、高精度、低计算量、误差可控的理论计算方法是高分子流体动力学的核心攻坚任务。在模型与理论方面，现有的研究体系大多只关注非带电、柔性高分子体系。对于带电高分子体系，静电相互作用使得高分子链不再是柔性链；随着链刚性的增加，在相同聚合度的条件下，高分子链缠结逐渐增加，高分子熔体的流变行为将发生显著的变化，很多柔性链模型和规律不再适用。现有的研究工作很少提出具有实质内涵的新概念，大多是对传统概念的完善或重新定义；大多数高分子流体动力学工作只关注具体、特定的研究体系。近年来，很少发展具有普适意义的一般性理论，从而使得高分子流体动力学理论研究没有一条清晰的发展主线，而有向庞杂发展的趋势。

根据学科的发展规律，结合我国高分子流体动力学的研究基础与国家需求，本书针对高分子流体动力学的若干重大科学问题，在全书各章分别进行了深入的分析与讨论。主要涉及以下五个关键性科学问题。

（1）高分子稀溶液：稀溶液中不同链刚性、带电性和拓扑结构高分子链的构象性质与溶液动力学性质之间的关系及其普适性规律。

（2）高分子亚浓溶液：不同时空尺度下，扩散与多松弛模式的物理本质，以及外场作用和浓度对高分子动力学行为的影响机制。

（3）高分子浓溶液与熔体：在快速、大形变条件下，复杂高分子流体链缠结的本质，以及微观结构与宏观流变性质的关系。

（4）支化高分子流变学：高度支化高分子材料的黏弹性机制、制备与功能开发。

（5）高分子流体动力学的应用：高分子多相多组分体系的结构设计与动力学行为调控。

我国不仅是高分子材料生产大国，也是高分子材料消耗大国。经过几代人的努力，我国高分子流体动力学从无到有，不断发展壮大，为国民经济和国防建设做出了诸多贡献。近年来，高分子流体动力学在社会需求的强烈带动下快速发展，在一些高分子材料加工成型技术的“点”上取得了实质性的进步。当前及未来10 年是我国经济和科学技术发展的重要战略机遇期，也是高分子流体动力学学科发展的重要战略机遇期。因此，高分子流体动力学的发展目标是：在未来5～10 年内，我国能够成为国际上最重要的几个高分子流体动力学研究中心之一，在2～3 个方向具有国际领先或主导地位。为了实现这个目标，本书提出了有利于高分子流体动力学学科发展的有效资助机制与政策建议。

健全多元化激励机制，鼓励协同创新

建立并保持一支稳定的高分子流体动力学人才队伍，对其进行相对稳定的持续支持；优先支持具有重大意义的高分子流体动力学学科前沿研究；加大高分子流体动力学科研成果的科普宣传力度，调动工业部门的积极性和参与度，联合重点相关企业和重点应用单位，开展协同创新，加快研究成果的工程转化速度。

推动实验、模拟、理论研究一体化，促进成果转化

本着高分子流体动力学理论计算/实验（制备和表征）/数据库相互融合、协同创新的研发方式和理念，选取符合国家重大战略需求或在基础研究领域具有重大意义的研究方向进行突破；促进高分子流体动力学与计算数学的高度融合，探讨高分子流体动力学领域中一些重要概念和模型的数学化、定量化处理思路；建立以企业为主体、市场为导向、产学研用深度融合的技术创新体系。

加大青年人才的扶持力度，让更多有志者普惠、受益

加大青年科研人员的扶持力度，以保护他们继续攀登科学高峰的探索精神；吸引一批数理功底扎实的青年学者参与高分子流体动力学前沿研究与讨论，培养一支富有创新精神和协同创新能力的高素质人才队伍，使新一代青年科技骨干人才与战略科学家脱颖而出。

促进国际合作与交流，形成开放科研格局

进一步改善科研环境，在人才评价、学科评估、项目评审中，应充分考虑高分子流体动力学自身的特点，采用高分子流体动力学国际通行做法，引入顶级科学家评价、推荐制度；通过较高强度的持续、稳定支持，打造开放式协同创新平台。

本文摘编自《中国学科发展战略·高分子流体动力学》，由国家自然科学基金委员会、中国科学院组织研究编写，内容有删节，标题和内容有调整。语音播报为智能生成，如有疑问请以文本为准。科学创造未来，人文温暖世界。在科技引领发展的时代，与您共同关注科技史、科技哲学、科技前沿与科学传播，关注人类社会的可持续发展。科学人文在线，创造有价值的阅读！欢迎关注、点赞、留言、转发、参与赠书活动，联系邮箱：kxrw@mail.sciencep.com。

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内容简介

本书系统阐述了高分子流体动力学的科学意义与战略价值、发展现状与发展态势、发展水平与发展规律、发展思路与发展方向，并在此基础上给出了有利于高分子流体动力学发展的资助机制与政策建议，瞄准国际学术前沿，立足国家重大需求，凝聚相关科学与技术问题。全书总结了5个方面的内容，分别是高分子稀溶液、高分子亚浓溶液、高分子浓溶液与熔体、支化高分子流变学和高分子流体动力学的应用。

本书适合高层次的战略和管理专家、相关领域的研究人员、高等院校师生阅读，是科技工作者和社会公众了解高分子流体动力学发展现状和趋势的权威读本，同时也是科技管理部门重要的决策参考书籍。