Natl.Sci.Rev.：介科學：探索介尺度共性原理

【引言】

當我們研究科學、工程和社會中的複雜系統時，一般總是先了解其宏（系統）尺度行為，然後再逐步深入其微（單元）尺度的機制，並逐步試圖建立這兩者之間的關聯。然而，直接建立這種關聯是十分困難的，原因似乎是在這兩者之間缺少了什麼共同的原理。研究逐步表明，在介於單元尺度和系統尺度之間的介尺度上可能存在一個普適的主導原理，即：不同控制機制在競爭中的協調。為此，提出了介科學這一跨學科的概念。

【成果簡介】

為進一步闡述介科學的內涵和前景，中國科學院過程工程研究所李靜海院士（通訊作者）聯合英國牛津大學Peter P. Edwards，對介科學產生的背景、面臨的挑戰和機遇進行了深刻而簡要的介紹，近期以「Mesoscience: Exploring the common principle at mesoscales」為題發表於National Science Review。文章指出，複雜世界呈現多層次的特徵，每一層次是多尺度的，而複雜性往往出現在每一層次的介尺度上。這種複雜性來源於共存的兩種（或多種）主導機制之間的競爭與協調。隨給定條件的變化，不同機制的相對主導作用隨之發生變化，以兩種主導機製為例，可以依次出現三個區域：A機制主導、A機制與B機制協調、B機制主導。複雜性就出現在A機制與B機制相互協調（共存）的區域，稱為介區域。就是說，當操作條件處於兩個極端區域之間的介區域時，共存的不同主導機制之間的競爭與協調往往在介尺度上導致複雜性。因而，將闡釋這種複雜性的科學稱為介科學，兼具介尺度和介區域的內涵。揭示主導機制及其協調關係時還要特別注意介尺度問題的層次性特徵。將多個層次的介尺度問題混雜在一起是容易誤入的歧途，此時難以找出介尺度結構的穩定性條件。

介科學的概念產生於對化學工程中若干複雜系統的研究。首先是氣-固流態化系統，隨後是湍管流，近幾年又在多相催化、蛋白質摺疊等實例中得到進一步證實。然而，作者強調，由於介尺度問題的複雜性和多樣性，介科學的普適性仍需進一步驗證。通過對各類複雜系統中不同介尺度問題的研究，從具體問題中歸納共同規律，尋找進一步的實證，是進一步發展介科學的有效途徑。作者列舉了幾個近期值得探索的實例。此外，作者認為，解決目前已經認識到的一些共性科學問題也同樣重要。就是說，可以採用具體實證研究與共性問題探討齊頭並進、相互比對、互相促進的發展策略。

作者最後指出，介科學目前還處於萌芽階段，其發展前景完全取決於各學科交叉和合作的深度。當然，反過來，介科學的發展也將極大地提升不同學科解決複雜問題的能力。

【圖文導讀】

圖1 包含所有介尺度現象的介科學理論

這無論對於科學和還是技術都是一個共同挑戰。

圖2 三個區域的變化及結構演變

隨B機制的主導作用相對A機制逐步增強，依次出現三個區域。複雜性出現在中間區域。

圖3 反應體系中三機制預測機理

改變不同機制的主導作用將導致產品成分的變化，也就是轉化率，產量和選擇性的變化，假設有兩種產品，A和B對應於兩種機制（分別表示為A主導和B主導），適當調整這兩種機制的主導作用將產生三種制機制。

【小結】

理解「結構」和「系統」是系統科學的目標，只要系統中存在結構，無論動態還是靜態，都必須揭示其背後的機制。也就是說，必須涉及穩定條件或變分原則。該文章對介科學的闡述，使我們對這個領域有了新的認識。

文獻鏈接：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組Allen供稿，材料牛整理編輯。

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