Natl.Sci.Rev.：介科学：探索介尺度共性原理

【引言】

当我们研究科学、工程和社会中的复杂系统时，一般总是先了解其宏（系统）尺度行为，然后再逐步深入其微（单元）尺度的机制，并逐步试图建立这两者之间的关联。然而，直接建立这种关联是十分困难的，原因似乎是在这两者之间缺少了什么共同的原理。研究逐步表明，在介于单元尺度和系统尺度之间的介尺度上可能存在一个普适的主导原理，即：不同控制机制在竞争中的协调。为此，提出了介科学这一跨学科的概念。

【成果简介】

为进一步阐述介科学的内涵和前景，中国科学院过程工程研究所李静海院士（通讯作者）联合英国牛津大学Peter P. Edwards，对介科学产生的背景、面临的挑战和机遇进行了深刻而简要的介绍，近期以“Mesoscience: Exploring the common principle at mesoscales”为题发表于National Science Review。文章指出，复杂世界呈现多层次的特征，每一层次是多尺度的，而复杂性往往出现在每一层次的介尺度上。这种复杂性来源于共存的两种（或多种）主导机制之间的竞争与协调。随给定条件的变化，不同机制的相对主导作用随之发生变化，以两种主导机制为例，可以依次出现三个区域：A机制主导、A机制与B机制协调、B机制主导。复杂性就出现在A机制与B机制相互协调（共存）的区域，称为介区域。就是说，当操作条件处于两个极端区域之间的介区域时，共存的不同主导机制之间的竞争与协调往往在介尺度上导致复杂性。因而，将阐释这种复杂性的科学称为介科学，兼具介尺度和介区域的内涵。揭示主导机制及其协调关系时还要特别注意介尺度问题的层次性特征。将多个层次的介尺度问题混杂在一起是容易误入的歧途，此时难以找出介尺度结构的稳定性条件。

介科学的概念产生于对化学工程中若干复杂系统的研究。首先是气-固流态化系统，随后是湍管流，近几年又在多相催化、蛋白质折叠等实例中得到进一步证实。然而，作者强调，由于介尺度问题的复杂性和多样性，介科学的普适性仍需进一步验证。通过对各类复杂系统中不同介尺度问题的研究，从具体问题中归纳共同规律，寻找进一步的实证，是进一步发展介科学的有效途径。作者列举了几个近期值得探索的实例。此外，作者认为，解决目前已经认识到的一些共性科学问题也同样重要。就是说，可以采用具体实证研究与共性问题探讨齐头并进、相互比对、互相促进的发展策略。

作者最后指出，介科学目前还处于萌芽阶段，其发展前景完全取决于各学科交叉和合作的深度。当然，反过来，介科学的发展也将极大地提升不同学科解决复杂问题的能力。

【图文导读】

图1 包含所有介尺度现象的介科学理论

这无论对于科学和还是技术都是一个共同挑战。

图2 三个区域的变化及结构演变

随B机制的主导作用相对A机制逐步增强，依次出现三个区域。复杂性出现在中间区域。

图3 反应体系中三机制预测机理

改变不同机制的主导作用将导致产品成分的变化，也就是转化率，产量和选择性的变化，假设有两种产品，A和B对应于两种机制（分别表示为A主导和B主导），适当调整这两种机制的主导作用将产生三种制机制。

【小结】

理解“结构”和“系统”是系统科学的目标，只要系统中存在结构，无论动态还是静态，都必须揭示其背后的机制。也就是说，必须涉及稳定条件或变分原则。该文章对介科学的阐述，使我们对这个领域有了新的认识。

文献链接：Mesoscience: Exploring the common principle at mesoscales（Natl.Sci.Rev., 2017,DOI: 10.1093/nsr/nwx083）

本文由材料人新能源组Allen供稿，材料牛整理编辑。

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