流變學（Rheology）正如它的中文譯義所詮釋，闡述物質在流動、或廣義的應變（deformation）過程中所衍生的微結構變異，導致該物質在物理性質上的變化，尤其指機械應力或材料性質包括黏度（viscosity）或黏彈性質（viscoelasticity）的回應。屬於這範疇的材料一般稱為流體或黏彈性體，以下簡稱為流體。簡易的流體亦即所謂的牛頓流體，一般由小分子所組成，由於分子本身的形態或空間上的排列較不受一般材料之整體變形的影響，因此在流動或變形過程中鮮少呈現特殊的流體性質變化。

       相較而言，較複雜的流體其組成通常為較大的分子，如高分子或膠體（colloid）粒子，其流動與形變經常伴隨分子構形或空間堆排上的變異，因而衍生流體性質的具體變化。以黏度性質而言，最常見的情形為剪切稀釋（shear thinning），亦即流體的黏度隨著應變的速率增加而漸減，黏度降低的幅度有時可達數個尺度而相當可觀。此外最凸顯的變化為黏彈性質的變化，這項性質經常造成材料在流動狀態或加工時許多棘手的問題，也因此成為流變學家主要的研究議題。首先以高分子流體為例可簡易說明這些性質變化的特色與緣由。

       圖（一）中的高分子鏈在靜止狀態下呈現常見的自然捲曲樣貌，在流動狀態下高分子鏈被顯著地伸展、其鏈段之平均方向性（orientation）亦由均向轉變為非均向（anisotropic）。隨著分子鏈整體排向性的逐步均一化，流體的黏度值亦產生性統性的下降，此時似乎不需要太大的應力施與就可以維持流體的持續流動。值得一提的是，非均向的分子鏈排列同時也產生非均向應力的生成，也就是所謂的正向應力差值（normal stress differences）。此等應力的產生造成許多特殊的非牛頓流體現象，包括有名的「爬竿」現象，一般可於攪拌油漆時觀察的到。當外在流場解除後，高分子不容易於短時間回復先前的自然捲曲狀態，導致所謂的記憶效應（memory effect）或應力鬆弛（stress relaxation）的行為。綜合以上行為特色，我們可以較清楚的了解高分子材料黏彈性質的來源與變化的模式。一般在高分子加工過程中所遭遇的流場特色較為複雜，因此其應力的生成、發展與鬆弛通常更加複雜，雖然其基本原理不變。

       另一具有代表性的流變流體為膠體浮懸液，其組成為粒徑介於數奈米與數微米之間的所謂布朗粒子（Brownian particles），由於微粒子的行為不受重力所支配所以一般以懸浮液的狀態呈現。圖（二）中的微粒在流場的作用下從原先的均勻分散到不同程度的聚集型態，其相應的流體黏度值也從剪切致稀釋轉變為剪切致稠（shear thickening）的行為模式。與高分子溶液最主要的差異在於膠體粒子本身並不具備太大的形變變能力，取而代之的為其空間排序與介觀結構上的變化導致流變性質的發生。

       由以上兩個最具代表性的例子不難預見，當流體的組成漸趨複雜或伴隨著濃度的上升，分子之間的作用情形愈為繁複，對於材料之流變性質的理解或預測將愈具挑戰性。事實上一般常應用於科技業或民生用品的原料有不小的比例是由高分子或膠體所組成，兩者混摻的複合材料系統亦屬常見，因此在以溶液或融熔態製程為主的程序中，流變相關知識的掌握不但影響製程的品質與效能，對於最終產品物性的影響往往也十分顯著。 

       在前述的認知基礎上，何謂解決流變問題的基礎途徑呢？相信這個問題的答案為許多相關產業與科技從業人員所迫切想要理解。以下我們從四個不同的角度來逐步回答這個看似單純、實則牽連甚廣的科學研究議題；其中的分別主要為巨觀相對於微觀、實驗相對於理論，以及彼此的整合。 

廣義的流變機械性質之鑑定主要包括黏度、黏彈性、與正向應力差值等性質的量測。透過這些基礎流變性質，實驗學家能夠具體地呈現流體材料其應力與應變之間的交互作用與關聯性。一部設計良好且多功能的流變儀足以勝任大多數相關性質的數據取得以作為後續分析的目的。例如當代的流變儀系統多數已能達到在控制應變速率（controlled rate）或應力（controlled stress）的情況下，取得相對的流變數據。前者對於流變系統設計技術上的要求較高，通常以學術研究用途為主，而後者則經常為業界所使用。在另一方面，雖然一般商用流變儀設計以量測剪切流變性質為主，目前先進的流變儀設計通常也提供拉伸流變性質（extensional rheology）量測裝置擴充的可能性。關於流變性質類別與相關的量測、與分析原理詳細的介紹可以在大多數的參考書籍中尋獲，因此不在此贅述。值得一提的是，僅依靠機械流變性質的量測通常不足以完全了解或解決一實際的流變相關問題，因此相關的微觀實驗量測、與理論分析的輔助經常有其必要性。 

由前言中所提及，流變性質的起源為微結構的變化所衍生，因此釜底抽薪的策略為取得即時的相關結構訊息。光學量測系統（包括穿透式與散射式）在解析流體或溶液系統微結構與動態方面具有強大的功能，因此經常選擇性地與流變機械量測系統作結合，形成所謂的流變－光學（ rheo-optical）即時量測系統。隨著樣品的種類與實際應用目的的不同，組合的方式亦有相當的差異，最常見的組合為（1）流變－雙折射或雙色性系統；（2）流變－大角度光散射系統；（3）流變－小角度光散射系統。項目（1）的主要應用為高濃度或融熔態高分子系統，抑或膠體溶液系統。項目（2）大多使用在稀薄高分子溶液系統。項目（3）則應用在了解高分子或膠體溶液系統介觀結構於流場下演變的過程。除了以上類別，具較特殊使命的搭配亦有多種可能性，包括光譜、電磁場、與核磁共振等。圖（三）為一裝置示意圖，包括流變與散射、穿透光的即時量測系統。無論是流變或光學式的量測，數據取得後的解讀與理論分析往往為最主要的關鍵；以下介紹兩種不同層級的理論分析模式。

描述流體之應變歷史與應力發展之間關係式的數學方程式，統稱為本質方程式（constitutive equation），一般以對時間的微分或積分方程式呈現，清楚顯現流體的記憶效應對於應力發展的影響。方程式建立的模式有許多種，其中以具有分子立論基礎的半經驗式通常具備較理想的預測能力。首先利用流變儀量測所得到的線性黏彈性質以適當的記憶函數表示之；輔以非線性基礎流變性質的量測數據，以決定本質方程式剩餘的函數參數值，即可完成該流體的本質方程式的建立。其中非線性流變性質種類的選擇，應儘可能接近實際應用的流場特性。例如在模擬典型的收縮流時，由於其中同時涉及剪切與拉伸的應變成份，因此兩種性質的取得用以決定本質方程式的函數，可以得到較佳的預測功能。綜合言之，本質方程式為一解釋巨觀流場應用的數學方程式，利用基礎流體性質的量測以建構之方程式，原則上可以用來預測一般較複雜流場下的流變性質，因此在流體材料的加工程序設計或模擬上具有重要的應用。對於實際常遭遇的複雜幾何形狀，本質方程式的求解大多需要結合空間的數學離散理論與技術，如有限元素法的應用。此外對於模流理論所預測的流速與應力分佈，亦可搭配具有空間解析能力的流速計如都普勒流速計（Doppler velocimeter）或粒子追蹤技術（particle tracking），以及相同空間之雙折射率量測、利用應力－光學的自相關原理（stress-optical rule）將數據轉為空間應力的分佈。如此則可達到實驗與模擬預測直接比較的目的，以進一歩檢視本質方程式的效能。

巨觀的本質方程式雖然在使用上較為方便，但缺乏直接預測微觀結構性質的能力，因此無法取代基礎分子動力理論的必要性。如先前所述，大多較具成效的本質方程式實際上都由相關分子理論所衍生而出。相較而言，分子動力理論的建立具有高度的針對性，例如高分子與膠體分子的分子動力理論具有相當的差異性，其發展與演進的歷史也非常不同。更甚而之，即使在高分子的理論當中，由於濃度的區間不同等因素，影響分子基礎動態性質的方式亦異，因此經常需要不同的理論模式。雖然分子動力理論的模擬可以直接用來了解個別分子在巨觀流場作用下的動態、以及整體平均的應力性質，其最大的挑戰則在於基礎理論的理解不易，此外個別理論經常在不斷的演進當中，其抽象程度往往也不斷加深，因此入門較為困難。所幸近年來拜電腦科技快速演進之賜，許多繁複的分子物理可以利用較簡易且較真實的模擬方式具體呈現，因此未來的應用性與重要性將可望大幅提升。

現代科技與產業無論是利用融熔態的加工模式、或溶液狀態下所謂濕製程（如塗佈或噴墨法），對於流變相關知識與技術的需求將與日俱增，尤其考量高單價的材料、高精密製程的要求、機台設計的不易與缺乏彈性等實際因素的激勵。從圖（四）關聯示意圖中不但能夠更加理解流變理論與實驗量測的相關性，以及解決實際問題的可能途徑，對於此領域所涵蓋的科技與知識範疇亦將更加清晰。實際上，透過成功的理論與實驗分析的結合，流變學扮演的角色將等同非平衡狀態下材料科學的延伸，這也可謂當代材料科學的終極挑戰之一！