軟凝聚態物質的特性及研究展望

張志國（北華大學　物理學院，吉林　吉林　132013）

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軟凝聚態物質的特性及研究展望

張志國
（北華大學物理學院，吉林吉林132013）

摘要：介紹了軟凝聚態物質的特性及重要性,以及軟凝聚態物質的研究展望.

關鍵詞：軟凝聚態；軟物質；聚合物；膜；表面活性劑

1　什么是軟凝聚態物質

自從deGennes將他那篇有名的諾貝爾物理學獎獲獎演說以“軟物質(SoftMatter)”冠名以來,軟凝聚態物質的稱謂變得日益普遍.在很長一段時期內,主要是由化學家,特別是物理化學科學家對其開展探索.不少有名的物理學家曾對軟物質的研究作出過重要貢獻.如德拜(Debye,膠體和聚合物物理)、昂薩格(Onsager,膠體、液晶和聚合物物理)、Flory(聚合物物理)、deGennes(液晶物理、聚合物物理、顆粒物質和乳狀液)、Lifshitz(聚合物物理)和Edwads(聚合物物理和顆粒物質物理)等20世紀的著名物理學家,都對軟物質各領域作出過杰出貢獻.顯然,軟凝聚態物質(軟物質)是凝聚態物質中的一大類.它們由于具有黏彈性而不同于簡單的液體,因為簡單的液體只有黏性而沒有彈性.種類繁多的軟物質往往是長程無序而在短程卻近似有序.具體來說,可以列舉下面一些軟物質:①日常生活中常見的東西,油漆、牙膏、肥皂等;②生物物質,包含動植物的軟組織,事實上,人體可以說是一部“軟機器”;③膠體彌散物;④聚合物融體或溶液;⑤液晶體.軟凝聚態物理以軟物質為研究對象，它的領域迅速擴展,其中特別受人注意的有三個互補的不同領域,即對膠體、聚合物及表面活性劑(例如膠束及微乳劑、液晶)的研究.

軟凝聚態物質(Soft condensed matter)又稱軟物質或稱復雜液體(complex fluid)，是指處于固體和理想液體之間的物質.它的基本特性是對外界微小作用的敏感性、非線性響應、自組織行為等.軟物質在介觀尺度(約l0mn-10m)范圍內，通過相互作用可形成從簡單的時空有序到復雜生命體一系列的結構體和動力學系統.軟物質運動規律和行為主要不是由量子力學和相對論的基本原理直接導出，而是由內在特殊相互作用和隨機漲落而引起，軟物質的許多新奇行為、豐富的物理內涵和廣泛的應用背景引起越來越多物理學家的興趣，軟物質物理已成為物理學的一個新的前沿學科，是具有挑戰性和迫切性的重要研究方向.

2　軟凝聚態物質特性及研究重要性

2.1特性

組成軟凝聚物質的單元和單元間的相互作用有如下一些共同特征,體現著軟凝聚物質的柔性和復雜性:

（1）尺度介于原子大小和宏觀尺寸之間(約l0mn -10m)，可應用粗粒模型而略去原子尺寸的細致結構；

（2）容易偏離平衡態；

（3）一般認為可忽略的影響,如重力引起的變形、熱漲落引起的粒子的布朗運動等,可能很重要；界面的考慮很重要,表面張力的影響可能導致獨特的結構；

（4）在復雜的生物物理化學過程的驅動下,有形成自組織的傾向；

（5）軟物質容易變形,說明它們具有小的彈性系數.通常原子的彈性系數約為GPa量級;膠體或聚合物的彈性系數為約為Pa量級.

軟物質介于固體和液體之間:既有彈性,又有黏性,即具有黏彈性,屬于流變學處理的對象.由于軟物質的以上特性,軟凝聚態物理中遇到的問題常常是非平衡、非遍歷、非線性、非局域、絕熱和長程無序,增加了理論處理的復雜性.

2.2重要性

軟凝聚態物質是物質世界的一個主要組成部分.狀態處于固態和氣態之間，原子或分子之間有很強的相互作用而相互凝聚，但原子或分子又不像結晶固體那樣具有周期性有序排列.

液態物理學是近年來日益受到重視的領域之一，已取得了許多重要進展，但總的說來，與氣態和固態相比，對軟凝聚態物質的認識還很不充分.這主要是由于對軟凝聚態物質研究存在理論和實驗上的困難.實驗技術的發展，理論和計算能力的不斷增強，特別是社會和技術發展的迫切需要，是液態物理學發展的巨大動力.

液體可以分為簡單液體和復雜液體兩類.前者包括一般液體、熔體、溶液等，很多材料的制備是以液體為母體的，如冶金、玻璃制造、晶體生長等.對于簡單液體的研究不僅能認識這一基本物質形態，而且直接關系到對材料制備機理的了解、物相的獲取、質量和成分的控制、工藝的改進.而復雜液體又稱軟物質或軟凝聚態物質，是指處于固體和理想流體之間的物質.一般由大分子或基團(固、液、氣)組成，如聚合物、膠體、顆粒物質、生命體系等，在自然界、生命體、日常生活和生產中廣泛存在.軟物質與人們生活休戚相關，如橡膠、人造纖維、洗滌液、乳液及藥品和化妝品等；如電(磁)流變液，是固體粉末與液體混合物體系，通過改變施加的電場(或磁場)強度，可連續調節其軟硬程度，且響應時間很快，這種奇特性質，有重要應用前景，可以用作機電一體控制的元件或部件，如減震器、機器人等.

再如，顆粒物質，日常生活中司空見慣，可涵蓋各類分離態物質，如沙石、泥土、礦物、糧食及其他散態物質等.塌方、泥石流、雪崩及河流浮冰積堵等自然災害現象，以致公路上車輛流動規律等均屬于研究對象.顆粒物質既類似固體，流動時又像液體、氣體.但其運動規律很復雜，目前遠未認識清楚.近來，軟凝聚態物質物理已成為國際上受到普遍重視的新興學科領域.軟凝聚態物質的研究橫跨物理、化學、生物三大學科領域，軟凝聚態物質物理學研究的深入開展，是物理科學通向生命科學的橋梁.軟凝聚態物質物理學代表了2l世紀凝聚態物理學發展的重要趨勢.

3　軟凝聚態物質研究展望

盡管人們接觸軟凝聚態物質已有很長的歷史,并對若干體系(如高聚物、液晶、膠體等)做了許多研究工作,但將軟凝聚態物質作為一類普遍物質形態進行深入的物理研究還只有十多年.近年來,在國際上許多大學和研究機構均在大力開展軟凝聚態物質研究，美國和歐洲各國開展研究比較廣泛深入,日本科技廳也設立重大項目支持此類研究.這一研究傾向也明顯反映在科學出版方面.

軟凝聚態物質中的復雜液體的特殊結構和特性也引起了人們的廣泛關注.它不但有豐富的物理內涵，而且還有重要的應用前景.在一些懸浮液和混合液中，液體和固體顆粒在相互作用和外場的作用下，可以產生奇特的結構和性質變化，磁流體在磁場中形成的自組織行為，膠體顆粒在液體中的分形聚集是大家普遍了解的現象.電(磁)流變液在電(磁)場作用下可發生“液一固”轉變，通過電(磁)場作用的變化可實現軟一硬連續變化，被稱為“智能液體”.懸浮液中固體顆粒尺度與光波波長相近時，在光駐波場的作用下可形成有序排布，光在其中傳播就會像電子在晶體中的行為一樣形成能帶結構和局域化現象，稱之為“光子晶體”.微乳液(microemulsion)則是在表面活性劑作用下的一種重要的液一液分散體系，形成熱力學穩定的自組裝聚集態結構.分散微區的尺寸為幾個納米到幾百納米，形態多種多樣，這種復雜液體的結構和性質與一般液體很不相同.復雜液體組成和結構的復雜性，柔軟、弛豫和其他特殊性質是固體物理中沒有遇到過的新問題，吸引了愈來愈多的物理學工作者進行開拓性的研究，已成為凝聚態物理學的一個重要的前沿研究領域.

3.1聚合物體系

聚合物體系是由簡單的組成單位重復多次聚合而成的長分子鏈，常見的有聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等.化學家能夠使一個簡單的結構單元重復105次而不發生錯誤，這是非常了不起的技術.我們周圍有很多基于鏈狀分子的物質，如木料、食品、化纖、生命體等等，由于聚合物的分子很長，作為一個合適的模型，聚合物可以近似地看成由M個長度為n的單體連接形成的鏈，這里每個單體不必為前述的重復分子單元，而是長度為n的硬棒，單體之間順序相連，通常單體之間的相互作用可取為各種方式來模擬實際系統，在溶有這類長鏈分子的稀溶液中，長鏈分子基本處于自由狀態，其形狀非常類似于布朗粒子的無規運動的軌跡（通常稱為隨機行走）.

由于長鏈形分子的通性,許多聚合物的物理性質具有一些共同的特點.例如,不同分子不能互相穿過這一通性導致單個分子長鏈出現糾纏.長鏈上節點(原子基團)間的鍵合主要分為2種類型:化學鍵合(共價鍵、氫鍵)和物理鍵合(如通過van dewaals 力).在前一種類型中,鍵長在聚合過程中固定;在后一種類型中,鍵長則隨外部氛圍而變.

3.2膜和表面活性劑

膜是一種二維的具有柔軟性的面!通常由雙親性表面活性劑或生物上非常重要的脂類分子形成.表面活性劑（如洗滌液）和脂類分子是一種兩端具有不同選擇親和性的鏈狀分子，一端親水而另一端親油.在水、油和雙親分子的三元混合物中，這類分子通常被吸引到油和水的界面位置，也能處于水與空氣的界面上.這些分子能極大地降低系統的表面能或界面能，形成像乳劑、泡沫類的系統.

當表面活性劑溶解于水中時，這類分子可自發形成各種不同的結構，以避免厭水端與水接觸.當表面活性劑的濃度較高時，他們形成雙層膜，這種膜可以具有不同的拓撲結構，如延展的二維曲面、閉合面（如球狀、梨狀等）以及復雜的類似于銅的費米面形狀的多連通形狀.這些膜是柔軟和類流體的，其形狀非常容易改變，膜中的分子在膜內可自由擴散.一種非常有意義的膜的結構是所謂的泡囊.這是一種尺度很大、相當柔軟的物體，它具有不讓水中溶質透過的特性.泡囊的性質主要與表面活性劑不溶于水的特性有關，其在表面的活性劑分子數固定后能自動對表面進行調節，使泡囊的表面張力下降到零.由于泡囊不具有表面張力，其形狀就允許產生很大的漲落，使它可以通過一些非常狹小的區域（如紅血球通過毛細血管）.另一種重要的形態是層狀相，其中最常見的是雙層.皂類物質都具有這種結構，如果形成的層非常柔軟，層和層之間可能發生無序的交疊，形成多種不同的拓撲結構，這種形態稱為海綿相.

隨著國際上對軟物質,特別是生物軟物質研究的持續升溫，特別在以下幾個方面表現的尤為突出:

（1）生物聚合物物理.DNA和蛋白質的單分子彈性和動力學；細胞骨架和網絡及相關集合體的相互作用；生物聚合物溶液、膠體、聚集體、膜等的靜電效應、表面效應等.

（2）顆粒的動力學和結構.顆粒物質的流動動力學、結構、相變和自組織；各向異性顆粒及帶電顆粒的相互作用；這些物質組成的結構在應用于光子學、電子學、傳感器、模板、仿生,以及醫學診斷和治療中的物理學問題.

（3）核酸-蛋白質、蛋白質-蛋白質相互作用:從單分子到生物系統.將主要集中于研究支配核酸(DNA和RNA)與蛋白質相互作用的物理機制.實驗方法上，單分子成像、熒光、單分子操縱、皮牛力測量、微懸臂、微納流控技術等將得到大力發展.研究的系統將包括DNA復制、轉錄、轉錄調控、蛋白質導致的DNA彎曲和壓縮、蛋白質沿DNA的擴散、受體-配體結合的熱力學和動力學、操縱DNA的分子馬達和酶的動力學等.

（4）理論計算和模型建立.隨著計算技術的快速發展，對軟物質體系，特別是生物大分子的理論模擬將有長足的發展.分子動力學、蒙特-卡洛(Monte Carlo)方法等計算手段將越來越完善，達到較高的解釋和預測水平，對一些動力學模型的建立將起較大的推動作用.

4　結束語

在20世紀，科學技術取得的成就是史無前例的，但是人類在激光、超導、航天、通信、計算機等技術方面的開拓和應用大都建立在我們對硬物質世界的深刻認識和理解的基礎上.現在我們已經越來越感受到軟凝聚態物質時代急切的步伐，生物醫學、分子生物學、遺傳工程在20世紀已經獲得了相當的成就，但更重大的突破和進展依賴于我們在軟凝聚態物質領域更深層次的認識.軟物質的研究目前作為凝聚態物理學的一個前沿領域，無論國外還是在國內都正處于起步發展階段.由于軟凝聚態物質的研究對生命科學和材料科學等具有的科學意義和應用價值，其未來發展趨勢不可低估.如果20世紀的物理學開拓了對物質世界的新認識，研究和深入認識了“硬物質”，對技術和社會產生了巨大推動作用，那么，21世紀甚至是未來就可以被稱為生命科學的世紀，也是軟凝聚態物質的世紀，對軟凝聚態物質的深入研究將對生命科學、化學化工、醫藥、食品、材料、環境、工程等領域及人們日常生活產生廣泛的影響.

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收稿日期：2015-11-05

中圖分類號：O469

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）01-0006-03