摘 要：“介尺度”體系的研究作為科技前沿已經深入科學研究的各方面。通過介紹介尺度的含義、起源及其產生背景，并結合中國發(fā)明專利，闡述介尺度研究的方法及其發(fā)展現(xiàn)狀。

關鍵詞：介尺度，微觀尺度，宏觀尺度，多尺度

中圖分類號：N04；G633.8 文獻標識碼：A 文章編號：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

作者簡介：何彥東（1981—），女，吉林通化人，國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作北京中心光電部審查員，主要從事光化學領域的專利審查。通信方式：heyandong@sipo.gov.cn。

一 “介尺度”的起源

隨著科學研究的進步，人們逐漸發(fā)現(xiàn)一些單純用宏觀經典物理學或微觀量子力學無法解釋的現(xiàn)象，從而，應運而生了一個介于宏觀和微觀之間的新領域——介尺度。介尺度，即“mesoscale”或者“mesoscopic”，是由N. G. van Kampen于1976年在其一篇關于物理和化學上的隨機過程的文章中首次提到，并于1981年明確定義指介乎于微觀和宏觀之間的一種尺度，從物理意義上講，該尺度是與相位相干長度接近的電子系統(tǒng)[1]。

20世紀90年代初，我國的一些學者開始更多地關注介尺度的研究，如1990年中國科學院物理研究所和北京大學的顧本源、顧雷在其文章中綜合介紹研究“介觀”系統(tǒng)中電子的輸運現(xiàn)象時所觀察到的量子干涉效應[2]；1991年復旦大學物理系的蔣平在其文章中討論了量子干涉效應對體系輸運性質的影響，并就其發(fā)展對微電子學技術的意義作簡要評述[3]。與此同時，蛋白質分子的折疊、表面活性劑分子在溶液中的連通結構以及嵌段聚合物的奇妙結構等，既非宏觀、也非微觀的一些現(xiàn)象，引起人們極大的興趣。由此可見，介尺度并非人類的一種發(fā)明創(chuàng)造，而是隨著人們對物質認識的深入以及科技的發(fā)展，逐漸被人們發(fā)現(xiàn)和重視的一個尺度范圍內的研究對象和重要研究方法，并且開始推動一門跨越物理、化學、生物、材料等多學科的交叉學科的發(fā)展。

介尺度的發(fā)展不僅與人們在理論上的認識密不可分，更與計算機的發(fā)展緊密相連。20世紀80年代初，計算機的迅猛發(fā)展促進了處于微觀與宏觀之間被人們長期忽略的介尺度領域的發(fā)展。作為微處理器及存儲器芯片的基本組成單元，晶體管的尺度已經達到了幾十個納米，可以處理介尺度的范疇。中國科學院過程工程研究所李靜海課題組利用CUDA技術 （Compute Unified Device Architecture，即通用并行計算架構），進行了圖形處理器（GPU）上的分子動力學模擬，通過方腔流及顆粒-氣泡接觸等實例初步展示了從微觀上模擬介觀行為的能力[4]。由此可見，計算機的發(fā)展促進了介尺度的研究工作，并進而推動了在多尺度下研究復雜體系的可能性。

納米科技的發(fā)展為介尺度研究乃至多尺度研究奠定了基礎。在納米材料的研究和發(fā)展過程中，人們已經不再過于關注納米材料本身的合成，而是更多將納米材料進行組裝，成為可以進行設計、操控和裁剪的介尺度。所以，越來越多的研究著重于納米組裝體系，包括納米陣列、介孔晶體、薄膜鑲嵌體系、反應過程等。如介孔晶體，由納米尺度的顆粒自組裝形成的高度有序的超結構體系，具有介尺度（幾百納米至數(shù)微米），既有納米顆粒本身的性質，又具有納米顆粒的界面耦合效應。

二 “介尺度”的發(fā)展現(xiàn)狀

介尺度不僅指時間尺度也包括空間尺度，研究方法主要以計算機模擬與實驗結合方法為主。介尺度模擬的體系在空間和時間尺度都遠遠大于傳統(tǒng)的分子模擬所能描述的體系，其用較大的粗?；瘑卧獊砻枋龉腆w材料、各種流體和氣體，通過計算機的動力學仿真來確定模型的結構、性質與動力學演變過程。介尺度模型可以仿真實驗處理條件（壓力、溫度、實驗時間等）下微觀顆粒集合體、高分子聚合物或膠體溶液的化學形態(tài)、微觀形貌、相分離以及流變性等[5]。

目前，介尺度模型中比較常用的有以離散的運動論和統(tǒng)計力學為出發(fā)點來描述流體、模擬聚合物溶液的一種格子玻茲曼介尺度方法；一種可用于模擬牛頓流體和非牛頓流體、用來模擬流體相分離、界面活性劑等高分子于水中運動的耗散粒子動力學；適于描述稀薄氣體的蒙特卡羅方法；用于天文學之星際模擬的平滑粒子水動力學等。

此外，介尺度方法的研究已經從理論、模擬計算領域邁向工程實際應用，代表性的國內發(fā)明專利如下：

2004年中國科學院化學研究所發(fā)明專利CN1511786A公開了一種介尺度有序雜化二氧化硅纖維，特別涉及結合溶膠-凝膠技術連續(xù)紡制具有高強度、高比表面積的介尺度有序雜化二氧化硅纖維，以及復合光、電、磁特性和催化活性物質的衍生物的方法。通過控制表面活性劑的分子結構和濃度，可以實現(xiàn)介尺度結構及尺寸的連續(xù)調節(jié)，纖維不僅具有良好的傳質性能，還具有好的強度和孔尺寸的穩(wěn)定性。

2010年北京大學發(fā)明專利CN101877386A公開了基于介尺度光學結構的萬向太陽能電池，通過對太陽能電池的襯底進行粗化加工，形成介尺度結構，使太陽能電池在各種入射光角度下的光電轉換效率均得到提高，從而不需要外界跟蹤太陽光的隨動裝置實現(xiàn)了萬向太陽能電池。

2013年由天津市環(huán)境保護科學研究院申請的發(fā)明專利CN103076335A公開了水處理中，絮體污泥在介尺度下水動力學和形貌演變機制的測試與裝置，提高不同尺度上絮體污泥評價結果的相關性，加深對絮體污泥行為與性狀變化的估計和機理認識，優(yōu)化水處理反應器的運行效果。

三 結 語

介尺度的研究已經在中國大地開花、結果，但是我們仍需致力于建立和發(fā)展以介尺度科學為基礎的各學科交叉的新體系，并進而連接微觀與宏觀，實現(xiàn)多尺度的研究系統(tǒng)。筆者相信，包含介尺度的多尺度研究必將提高人們對物質世界和過程的認識、推進我國科技事業(yè)快速發(fā)展。

參考文獻

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

[2] 顧本源，顧雷.“介觀”系統(tǒng)中的量子相干性和輸運[J].物理，1990（19）：586-590.

[3] 蔣平. 介觀物理學——物理學的一個新分支[J]. 物理，1991（20）： 15-18.

[4] 陳飛國， 葛蔚， 李靜海. 復雜多相流動分子動力學模擬在GPU 上的實現(xiàn)[J]. 中國科學， 2008（38）： 1120-1128.

[5] 杜建國， 李營， 王傳遠，等. 高壓地球科學[M]. 北京：地震出版社，2010：59-62.