軟凝聚態(tài)物質(zhì)的特性及研究展望

張志國(guó)（北華大學(xué)　物理學(xué)院，吉林　吉林　132013）

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軟凝聚態(tài)物質(zhì)的特性及研究展望

張志國(guó)
（北華大學(xué)物理學(xué)院，吉林吉林132013）

摘要：介紹了軟凝聚態(tài)物質(zhì)的特性及重要性,以及軟凝聚態(tài)物質(zhì)的研究展望.

關(guān)鍵詞：軟凝聚態(tài)；軟物質(zhì)；聚合物；膜；表面活性劑

1　什么是軟凝聚態(tài)物質(zhì)

自從deGennes將他那篇有名的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)演說(shuō)以“軟物質(zhì)(SoftMatter)”冠名以來(lái),軟凝聚態(tài)物質(zhì)的稱(chēng)謂變得日益普遍.在很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi),主要是由化學(xué)家,特別是物理化學(xué)科學(xué)家對(duì)其開(kāi)展探索.不少有名的物理學(xué)家曾對(duì)軟物質(zhì)的研究作出過(guò)重要貢獻(xiàn).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(zhì)和乳狀液)、Lifshitz(聚合物物理)和Edwads(聚合物物理和顆粒物質(zhì)物理)等20世紀(jì)的著名物理學(xué)家,都對(duì)軟物質(zhì)各領(lǐng)域作出過(guò)杰出貢獻(xiàn).顯然,軟凝聚態(tài)物質(zhì)(軟物質(zhì))是凝聚態(tài)物質(zhì)中的一大類(lèi).它們由于具有黏彈性而不同于簡(jiǎn)單的液體,因?yàn)楹?jiǎn)單的液體只有黏性而沒(méi)有彈性.種類(lèi)繁多的軟物質(zhì)往往是長(zhǎng)程無(wú)序而在短程卻近似有序.具體來(lái)說(shuō),可以列舉下面一些軟物質(zhì):①日常生活中常見(jiàn)的東西,油漆、牙膏、肥皂等;②生物物質(zhì),包含動(dòng)植物的軟組織,事實(shí)上,人體可以說(shuō)是一部“軟機(jī)器”;③膠體彌散物;④聚合物融體或溶液;⑤液晶體.軟凝聚態(tài)物理以軟物質(zhì)為研究對(duì)象，它的領(lǐng)域迅速擴(kuò)展,其中特別受人注意的有三個(gè)互補(bǔ)的不同領(lǐng)域,即對(duì)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(tài)物質(zhì)(Soft condensed matter)又稱(chēng)軟物質(zhì)或稱(chēng)復(fù)雜液體(complex fluid)，是指處于固體和理想液體之間的物質(zhì).它的基本特性是對(duì)外界微小作用的敏感性、非線性響應(yīng)、自組織行為等.軟物質(zhì)在介觀尺度(約l0mn-10m)范圍內(nèi)，通過(guò)相互作用可形成從簡(jiǎn)單的時(shí)空有序到復(fù)雜生命體一系列的結(jié)構(gòu)體和動(dòng)力學(xué)系統(tǒng).軟物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和行為主要不是由量子力學(xué)和相對(duì)論的基本原理直接導(dǎo)出，而是由內(nèi)在特殊相互作用和隨機(jī)漲落而引起，軟物質(zhì)的許多新奇行為、豐富的物理內(nèi)涵和廣泛的應(yīng)用背景引起越來(lái)越多物理學(xué)家的興趣，軟物質(zhì)物理已成為物理學(xué)的一個(gè)新的前沿學(xué)科，是具有挑戰(zhàn)性和迫切性的重要研究方向.

2　軟凝聚態(tài)物質(zhì)特性及研究重要性

2.1特性

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

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

（2）容易偏離平衡態(tài)；

（3）一般認(rèn)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(yùn)動(dòng)等,可能很重要；界面的考慮很重要,表面張力的影響可能導(dǎo)致獨(dú)特的結(jié)構(gòu)；

（4）在復(fù)雜的生物物理化學(xué)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)下,有形成自組織的傾向；

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

軟物質(zhì)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(xué)處理的對(duì)象.由于軟物質(zhì)的以上特性,軟凝聚態(tài)物理中遇到的問(wèn)題常常是非平衡、非遍歷、非線性、非局域、絕熱和長(zhǎng)程無(wú)序,增加了理論處理的復(fù)雜性.

2.2重要性

軟凝聚態(tài)物質(zhì)是物質(zhì)世界的一個(gè)主要組成部分.狀態(tài)處于固態(tài)和氣態(tài)之間，原子或分子之間有很強(qiáng)的相互作用而相互凝聚，但原子或分子又不像結(jié)晶固體那樣具有周期性有序排列.

液態(tài)物理學(xué)是近年來(lái)日益受到重視的領(lǐng)域之一，已取得了許多重要進(jìn)展，但總的說(shuō)來(lái)，與氣態(tài)和固態(tài)相比，對(duì)軟凝聚態(tài)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)還很不充分.這主要是由于對(duì)軟凝聚態(tài)物質(zhì)研究存在理論和實(shí)驗(yàn)上的困難.實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，理論和計(jì)算能力的不斷增強(qiáng)，特別是社會(huì)和技術(shù)發(fā)展的迫切需要，是液態(tài)物理學(xué)發(fā)展的巨大動(dòng)力.

液體可以分為簡(jiǎn)單液體和復(fù)雜液體兩類(lèi).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(zhǎng)等.對(duì)于簡(jiǎn)單液體的研究不僅能認(rèn)識(shí)這一基本物質(zhì)形態(tài)，而且直接關(guān)系到對(duì)材料制備機(jī)理的了解、物相的獲取、質(zhì)量和成分的控制、工藝的改進(jìn).而復(fù)雜液體又稱(chēng)軟物質(zhì)或軟凝聚態(tài)物質(zhì)，是指處于固體和理想流體之間的物質(zhì).一般由大分子或基團(tuán)(固、液、氣)組成，如聚合物、膠體、顆粒物質(zhì)、生命體系等，在自然界、生命體、日常生活和生產(chǎn)中廣泛存在.軟物質(zhì)與人們生活休戚相關(guān)，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(guò)改變施加的電場(chǎng)(或磁場(chǎng))強(qiáng)度，可連續(xù)調(diào)節(jié)其軟硬程度，且響應(yīng)時(shí)間很快，這種奇特性質(zhì)，有重要應(yīng)用前景，可以用作機(jī)電一體控制的元件或部件，如減震器、機(jī)器人等.

再如，顆粒物質(zhì)，日常生活中司空見(jiàn)慣，可涵蓋各類(lèi)分離態(tài)物質(zhì)，如沙石、泥土、礦物、糧食及其他散態(tài)物質(zhì)等.塌方、泥石流、雪崩及河流浮冰積堵等自然災(zāi)害現(xiàn)象，以致公路上車(chē)輛流動(dòng)規(guī)律等均屬于研究對(duì)象.顆粒物質(zhì)既類(lèi)似固體，流動(dòng)時(shí)又像液體、氣體.但其運(yùn)動(dòng)規(guī)律很復(fù)雜，目前遠(yuǎn)未認(rèn)識(shí)清楚.近來(lái)，軟凝聚態(tài)物質(zhì)物理已成為國(guó)際上受到普遍重視的新興學(xué)科領(lǐng)域.軟凝聚態(tài)物質(zhì)的研究橫跨物理、化學(xué)、生物三大學(xué)科領(lǐng)域，軟凝聚態(tài)物質(zhì)物理學(xué)研究的深入開(kāi)展，是物理科學(xué)通向生命科學(xué)的橋梁.軟凝聚態(tài)物質(zhì)物理學(xué)代表了2l世紀(jì)凝聚態(tài)物理學(xué)發(fā)展的重要趨勢(shì).

3　軟凝聚態(tài)物質(zhì)研究展望

盡管人們接觸軟凝聚態(tài)物質(zhì)已有很長(zhǎng)的歷史,并對(duì)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(tài)物質(zhì)作為一類(lèi)普遍物質(zhì)形態(tài)進(jìn)行深入的物理研究還只有十多年.近年來(lái),在國(guó)際上許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)均在大力開(kāi)展軟凝聚態(tài)物質(zhì)研究，美國(guó)和歐洲各國(guó)開(kāi)展研究比較廣泛深入,日本科技廳也設(shè)立重大項(xiàng)目支持此類(lèi)研究.這一研究?jī)A向也明顯反映在科學(xué)出版方面.

軟凝聚態(tài)物質(zhì)中的復(fù)雜液體的特殊結(jié)構(gòu)和特性也引起了人們的廣泛關(guān)注.它不但有豐富的物理內(nèi)涵，而且還有重要的應(yīng)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(chǎng)的作用下，可以產(chǎn)生奇特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化，磁流體在磁場(chǎng)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(xiàn)象.電(磁)流變液在電(磁)場(chǎng)作用下可發(fā)生“液一固”轉(zhuǎn)變，通過(guò)電(磁)場(chǎng)作用的變化可實(shí)現(xiàn)軟一硬連續(xù)變化，被稱(chēng)為“智能液體”.懸浮液中固體顆粒尺度與光波波長(zhǎng)相近時(shí)，在光駐波場(chǎng)的作用下可形成有序排布，光在其中傳播就會(huì)像電子在晶體中的行為一樣形成能帶結(jié)構(gòu)和局域化現(xiàn)象，稱(chēng)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(xué)穩(wěn)定的自組裝聚集態(tài)結(jié)構(gòu).分散微區(qū)的尺寸為幾個(gè)納米到幾百納米，形態(tài)多種多樣，這種復(fù)雜液體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與一般液體很不相同.復(fù)雜液體組成和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，柔軟、弛豫和其他特殊性質(zhì)是固體物理中沒(méi)有遇到過(guò)的新問(wèn)題，吸引了愈來(lái)愈多的物理學(xué)工作者進(jìn)行開(kāi)拓性的研究，已成為凝聚態(tài)物理學(xué)的一個(gè)重要的前沿研究領(lǐng)域.

3.1聚合物體系

聚合物體系是由簡(jiǎn)單的組成單位重復(fù)多次聚合而成的長(zhǎng)分子鏈，常見(jiàn)的有聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等.化學(xué)家能夠使一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)單元重復(fù)105次而不發(fā)生錯(cuò)誤，這是非常了不起的技術(shù).我們周?chē)泻芏嗷阪湢罘肿拥奈镔|(zhì)，如木料、食品、化纖、生命體等等，由于聚合物的分子很長(zhǎng)，作為一個(gè)合適的模型，聚合物可以近似地看成由M個(gè)長(zhǎng)度為n的單體連接形成的鏈，這里每個(gè)單體不必為前述的重復(fù)分子單元，而是長(zhǎng)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(lái)模擬實(shí)際系統(tǒng)，在溶有這類(lèi)長(zhǎng)鏈分子的稀溶液中，長(zhǎng)鏈分子基本處于自由狀態(tài)，其形狀非常類(lèi)似于布朗粒子的無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)的軌跡（通常稱(chēng)為隨機(jī)行走）.

由于長(zhǎng)鏈形分子的通性,許多聚合物的物理性質(zhì)具有一些共同的特點(diǎn).例如,不同分子不能互相穿過(guò)這一通性導(dǎo)致單個(gè)分子長(zhǎng)鏈出現(xiàn)糾纏.長(zhǎng)鏈上節(jié)點(diǎn)(原子基團(tuán))間的鍵合主要分為2種類(lèi)型:化學(xué)鍵合(共價(jià)鍵、氫鍵)和物理鍵合(如通過(guò)van dewaals 力).在前一種類(lèi)型中,鍵長(zhǎng)在聚合過(guò)程中固定;在后一種類(lèi)型中,鍵長(zhǎng)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(lèi)分子形成.表面活性劑（如洗滌液）和脂類(lèi)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(lèi)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(tǒng)的表面能或界面能，形成像乳劑、泡沫類(lèi)的系統(tǒng).

當(dāng)表面活性劑溶解于水中時(shí)，這類(lèi)分子可自發(fā)形成各種不同的結(jié)構(gòu)，以避免厭水端與水接觸.當(dāng)表面活性劑的濃度較高時(shí)，他們形成雙層膜，這種膜可以具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如延展的二維曲面、閉合面（如球狀、梨狀等）以及復(fù)雜的類(lèi)似于銅的費(fèi)米面形狀的多連通形狀.這些膜是柔軟和類(lèi)流體的，其形狀非常容易改變，膜中的分子在膜內(nèi)可自由擴(kuò)散.一種非常有意義的膜的結(jié)構(gòu)是所謂的泡囊.這是一種尺度很大、相當(dāng)柔軟的物體，它具有不讓水中溶質(zhì)透過(guò)的特性.泡囊的性質(zhì)主要與表面活性劑不溶于水的特性有關(guān)，其在表面的活性劑分子數(shù)固定后能自動(dòng)對(duì)表面進(jìn)行調(diào)節(jié)，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(chǎn)生很大的漲落，使它可以通過(guò)一些非常狹小的區(qū)域（如紅血球通過(guò)毛細(xì)血管）.另一種重要的形態(tài)是層狀相，其中最常見(jiàn)的是雙層.皂類(lèi)物質(zhì)都具有這種結(jié)構(gòu)，如果形成的層非常柔軟，層和層之間可能發(fā)生無(wú)序的交疊，形成多種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種形態(tài)稱(chēng)為海綿相.

隨著國(guó)際上對(duì)軟物質(zhì),特別是生物軟物質(zhì)研究的持續(xù)升溫，特別在以下幾個(gè)方面表現(xiàn)的尤為突出:

（1）生物聚合物物理.DNA和蛋白質(zhì)的單分子彈性和動(dòng)力學(xué)；細(xì)胞骨架和網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)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(yīng)、表面效應(yīng)等.

（2）顆粒的動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu).顆粒物質(zhì)的流動(dòng)動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)、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(zhì)組成的結(jié)構(gòu)在應(yīng)用于光子學(xué)、電子學(xué)、傳感器、模板、仿生,以及醫(yī)學(xué)診斷和治療中的物理學(xué)問(wèn)題.

（3）核酸-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用:從單分子到生物系統(tǒng).將主要集中于研究支配核酸(DNA和RNA)與蛋白質(zhì)相互作用的物理機(jī)制.實(shí)驗(yàn)方法上，單分子成像、熒光、單分子操縱、皮牛力測(cè)量、微懸臂、微納流控技術(shù)等將得到大力發(fā)展.研究的系統(tǒng)將包括DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、蛋白質(zhì)導(dǎo)致的DNA彎曲和壓縮、蛋白質(zhì)沿DNA的擴(kuò)散、受體-配體結(jié)合的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、操縱DNA的分子馬達(dá)和酶的動(dòng)力學(xué)等.

（4）理論計(jì)算和模型建立.隨著計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)軟物質(zhì)體系，特別是生物大分子的理論模擬將有長(zhǎng)足的發(fā)展.分子動(dòng)力學(xué)、蒙特-卡洛(Monte Carlo)方法等計(jì)算手段將越來(lái)越完善，達(dá)到較高的解釋和預(yù)測(cè)水平，對(duì)一些動(dòng)力學(xué)模型的建立將起較大的推動(dòng)作用.

4　結(jié)束語(yǔ)

在20世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)取得的成就是史無(wú)前例的，但是人類(lèi)在激光、超導(dǎo)、航天、通信、計(jì)算機(jī)等技術(shù)方面的開(kāi)拓和應(yīng)用大都建立在我們對(duì)硬物質(zhì)世界的深刻認(rèn)識(shí)和理解的基礎(chǔ)上.現(xiàn)在我們已經(jīng)越來(lái)越感受到軟凝聚態(tài)物質(zhì)時(shí)代急切的步伐，生物醫(yī)學(xué)、分子生物學(xué)、遺傳工程在20世紀(jì)已經(jīng)獲得了相當(dāng)?shù)某删?，但更重大的突破和進(jìn)展依賴(lài)于我們?cè)谲浤蹜B(tài)物質(zhì)領(lǐng)域更深層次的認(rèn)識(shí).軟物質(zhì)的研究目前作為凝聚態(tài)物理學(xué)的一個(gè)前沿領(lǐng)域，無(wú)論國(guó)外還是在國(guó)內(nèi)都正處于起步發(fā)展階段.由于軟凝聚態(tài)物質(zhì)的研究對(duì)生命科學(xué)和材料科學(xué)等具有的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值，其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)不可低估.如果20世紀(jì)的物理學(xué)開(kāi)拓了對(duì)物質(zhì)世界的新認(rèn)識(shí)，研究和深入認(rèn)識(shí)了“硬物質(zhì)”，對(duì)技術(shù)和社會(huì)產(chǎn)生了巨大推動(dòng)作用，那么，21世紀(jì)甚至是未來(lái)就可以被稱(chēng)為生命科學(xué)的世紀(jì)，也是軟凝聚態(tài)物質(zhì)的世紀(jì)，對(duì)軟凝聚態(tài)物質(zhì)的深入研究將對(duì)生命科學(xué)、化學(xué)化工、醫(yī)藥、食品、材料、環(huán)境、工程等領(lǐng)域及人們?nèi)粘Ｉ町a(chǎn)生廣泛的影響.

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收稿日期：2015-11-05

中圖分類(lèi)號(hào)：O469

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-260X（2016）01-0006-03