周胜平

摘要文章介绍了软物质的概念、特征以及软物质的几个具体实例。关键词

软物质，凝聚态，物理

软物质这一概念由法国物理学家德热纳(P.G.DeGennes)首先提出，他在1991年诺贝尔奖授奖会上以“软物质(SoftMatter)”为演讲题目[1]，引起广泛关注。软物质的特征就体现在“软”上，比如轻轻施力即可使其产生较大形变，但它又不像普通流体(如水、空气)那样具有良好的流动性。软物质具有短距离的规则性，但缺乏长距离周期性，其形态与熵有很大关系。只有这样它才能够构造出千变万化极其复杂的系统，并可携带大量的信息，生命就是一个例子。因此，软物质是指处于固体和理想流体之间的复杂态物质。一般由大分子或基团组成，在自然界中广泛存在。软物质的基本特性是对外界微小作用的敏感性、非线性响应、自组织行为等。这类物质与普通固体、液体和气体大不相同。流体热涨落和固态的约束共同导致了软物质的新行为，体现了软物质组成、结构和相互作用的复杂性及其特殊性。软物质在介观尺度(大约从1nm到1μm)范围内，通过相互作用，可形成从简单的时空有序到复杂生命体一系列的结构体和动力学系统。软物质的丰富物理内涵和广泛应用背景引起越来越多物理学家的兴趣，是具挑战性和迫切性的重要研究方向，已成为凝聚态物理与化学研究的重要前沿领域[2]。国内近几年也开始重视对软物质的研究,南京大学、上海交大均设有软物质的研究室。2001年,中国科学院也在物理研究所组建了软物质实验室,为使进入该领域的同行有一个入门的捷径[3]。

软物质为什么会“软”呢？一颗纽扣电池可以使液晶手表成年累月走个不停,一滴卤汁可以使一杯豆浆变成豆腐,这都表明作为软物质的液晶、豆浆(乳胶)能对外界微小作用做出强烈的反应。这样的例子在日常生活中不胜枚举,而最典型的例子是1839年固

特异发明的橡胶硫化处理技术:天然橡胶每200个碳原子中,只要有一个原子与硫发生反应,它就会使橡胶的碳氢链连成一片网状结构,从而使胶乳从液体变成固体。

由于外界作用(电、化学反应)是如此微弱,因此硫化处理的橡胶在宏观尺度上是固体,但在微观尺度上(如用核磁共振检测)仍然是局域液体。因此,这种固体表现得特别柔软。这是软物质会变“软”的物理机制之一。

类似橡胶硫化处理成网状结构的例子还有果冻之类的凝胶体系:它们是明胶在水中形成的网状“固体”。但是,有一大类软物质是由脂类双亲分子在水中组成的膜泡形成的。脂类分子组成的膜是二维流体,因而膜显示出特别的易变性与柔软性,这也是红细胞可以无耗能“变身”而在毛细血管里流动循环的原因之一。人体90%是水,但人的肌肉作为软物质,即又“软”又有一定的“刚”性的原因,使肌体组织大都以细胞(即生物膜泡)组成。

从能量来讲,软物质的“软”与“可变”性来源于它们之间的相互作用的范德瓦尔斯力,其作用势在室温时可用kbT来衡量,因此结构的热涨落是不可忽视的,这就使体系在局域上是液体,在宏观上是软的固体,其网状或膜状结构是软物质具有奇妙与复杂特性的物理原因,对弱力有很强的反应是软物质的第一个基础特征。下面我们通过几类具体软物质来介绍上述软物质的概念。1.聚合物:线性链与熵弹性

聚合物是由一种或几种简单单体聚合而成的长链化合物,其分子包含103～105单元。实际上,日常生活中我们所接触的很多物质都归于长链聚合物,如木头、粮食、纺织品、塑料及绝大部分的生物材料。线性聚合物相对分岔形聚合物与其他块状聚合