“介尺度”的起源及其发展现状

摘 要：“介尺度”体系的研究作为科技前沿已经深入科学研究的各方面。通过介绍介尺度的含义、起源及其产生背景，并结合中国发明专利，阐述介尺度研究的方法及其发展现状。

关键词：介尺度，微观尺度，宏观尺度，多尺度

中图分类号：N04；G633.8 文献标识码：A 文章编号：1673-8578（2014）S1-0110-03

The Origin and Development Status of Mesoscale

HE Yandong

Abstract： “Mesoscale” system， as a technological frontier， has penetrated many aspects of scientific research. This article introduces the concept， origin， and background of mesoscale. Combined with the Chinese invention patent， the approaches and development of mesoscopic research are also described in this article.

Keywords： mesoscale， microscale， macroscale， multiscale

收稿日期：2014-06-14

作者简介：何彦东（1981—），女，吉林通化人，国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心光电部审查员，主要从事光化学领域的专利审查。通信方式：heyandong@sipo.gov.cn。

一 “介尺度”的起源

随着科学研究的进步，人们逐渐发现一些单纯用宏观经典物理学或微观量子力学无法解释的现象，从而，应运而生了一个介于宏观和微观之间的新领域——介尺度。介尺度，即“mesoscale”或者“mesoscopic”，是由N. G. van Kampen于1976年在其一篇关于物理和化学上的随机过程的文章中首次提到，并于1981年明确定义指介乎于微观和宏观之间的一种尺度，从物理意义上讲，该尺度是与相位相干长度接近的电子系统[1]。

20世纪90年代初，我国的一些学者开始更多地关注介尺度的研究，如1990年中国科学院物理研究所和北京大学的顾本源、顾雷在其文章中综合介绍研究“介观”系统中电子的输运现象时所观察到的量子干涉效应[2]；1991年复旦大学物理系的蒋平在其文章中讨论了量子干涉效应对体系输运性质的影响，并就其发展对微电子学技术的意义作简要评述[3]。与此同时，蛋白质分子的折叠、表面活性剂分子在溶液中的连通结构以及嵌段聚合物的奇妙结构等，既非宏观、也非微观的一些现象，引起人们极大的兴趣。由此可见，介尺度并非人类的一种发明创造，而是随着人们对物质认识的深入以及科技的发展，逐渐被人们发现和重视的一个尺度范围内的研究对象和重要研究方法，并且开始推动一门跨越物理、化学、生物、材料等多学科的交叉学科的发展。

介尺度的发展不仅与人们在理论上的认识密不可分，更与计算机的发展紧密相连。20世纪80年代初，计算机的迅猛发展促进了处于微观与宏观之间被人们长期忽略的介尺度领域的发展。作为微处理器及存储器芯片的基本组成单元，晶体管的尺度已经达到了几十个纳米，可以处理介尺度的范畴。中国科学院过程工程研究所李静海课题组利用CUDA技术 （Compute Unified Device Architecture，即通用并行计算架构），进行了图形处理器（GPU）上的分子动力学模拟，通过方腔流及颗粒-气泡接触等实例初步展示了从微观上模拟介观行为的能力[4]。由此可见，计算机的发展促进了介尺度的研究工作，并进而推动了在多尺度下研究复杂体系的可能性。

纳米科技的发展为介尺度研究乃至多尺度研究奠定了基础。在纳米材料的研究和发展过程中，人们已经不再过于关注纳米材料本身的合成，而是更多将纳米材料进行组装，成为可以进行设计、操控和裁剪的介尺度。所以，越来越多的研究着重于纳米组装体系，包括纳米阵列、介孔晶体、薄膜镶嵌体系、反应过程等。如介孔晶体，由纳米尺度的颗粒自组装形成的高度有序的超结构体系，具有介尺度（几百纳米至数微米），既有纳米颗粒本身的性质，又具有纳米颗粒的界面耦合效应。

二 “介尺度”的发展现状

介尺度不仅指时间尺度也包括空间尺度，研究方法主要以计算机模拟与实验结合方法为主。介尺度模拟的体系在空间和时间尺度都远远大于传统的分子模拟所能描述的体系，其用较大的粗粒化单元来描述固体材料、各种流体和气体，通过计算机的动力学仿真来确定模型的结构、性质与动力学演变过程。介尺度模型可以仿真实验处理条件（压力、温度、实验时间等）下微观颗粒集合体、高分子聚合物或胶体溶液的化学形态、微观形貌、相分离以及流变性等[5]。

目前，介尺度模型中比较常用的有以离散的运动论和统计力学为出发点来描述流体、模拟聚合物溶液的一种格子玻兹曼介尺度方法；一种可用于模拟牛顿流体和非牛顿流体、用来模拟流体相分离、界面活性剂等高分子于水中运动的耗散粒子动力学；适于描述稀薄气体的蒙特卡罗方法；用于天文学之星际模拟的平滑粒子水动力学等。

此外，介尺度方法的研究已经从理论、模拟计算领域迈向工程实际应用，代表性的国内发明专利如下：

2004年中国科学院化学研究所发明专利CN1511786A公开了一种介尺度有序杂化二氧化硅纤维，特别涉及结合溶胶-凝胶技术连续纺制具有高强度、高比表面积的介尺度有序杂化二氧化硅纤维，以及复合光、电、磁特性和催化活性物质的衍生物的方法。通过控制表面活性剂的分子结构和浓度，可以实现介尺度结构及尺寸的连续调节，纤维不仅具有良好的传质性能，还具有好的强度和孔尺寸的稳定性。

2010年北京大学发明专利CN101877386A公开了基于介尺度光学结构的万向太阳能电池，通过对太阳能电池的衬底进行粗化加工，形成介尺度结构，使太阳能电池在各种入射光角度下的光电转换效率均得到提高，从而不需要外界跟踪太阳光的随动装置实现了万向太阳能电池。

2013年由天津市环境保护科学研究院申请的发明专利CN103076335A公开了水处理中，絮体污泥在介尺度下水动力学和形貌演变机制的测试与装置，提高不同尺度上絮体污泥评价结果的相关性，加深对絮体污泥行为与性状变化的估计和机理认识，优化水处理反应器的运行效果。

三 结 语

介尺度的研究已经在中国大地开花、结果，但是我们仍需致力于建立和发展以介尺度科学为基础的各学科交叉的新体系，并进而连接微观与宏观，实现多尺度的研究系统。笔者相信，包含介尺度的多尺度研究必将提高人们对物质世界和过程的认识、推进我国科技事业快速发展。

参考文献

[1] N. G. van Kampen， The expansion of the master equation[J]. Adv Chem Phys， 1976（34）： 245-309.

[2] 顾本源，顾雷.“介观”系统中的量子相干性和输运[J].物理，1990（19）：586-590.

[3] 蒋平. 介观物理学——物理学的一个新分支[J]. 物理，1991（20）： 15-18.

[4] 陈飞国， 葛蔚， 李静海. 复杂多相流动分子动力学模拟在GPU 上的实现[J]. 中国科学， 2008（38）： 1120-1128.

[5] 杜建国， 李营， 王传远，等. 高压地球科学[M]. 北京：地震出版社，2010：59-62.