软凝聚态物质的特性及研究展望

张志国（北华大学　物理学院，吉林　吉林　132013）



软凝聚态物质的特性及研究展望

张志国
（北华大学物理学院，吉林吉林132013）

摘要：介绍了软凝聚态物质的特性及重要性,以及软凝聚态物质的研究展望.

关键词：软凝聚态；软物质；聚合物；膜；表面活性剂

1　什么是软凝聚态物质

自从deGennes将他那篇有名的诺贝尔物理学奖获奖演说以“软物质(SoftMatter)”冠名以来,软凝聚态物质的称谓变得日益普遍.在很长一段时期内,主要是由化学家,特别是物理化学科学家对其开展探索.不少有名的物理学家曾对软物质的研究作出过重要贡献.如德拜(Debye,胶体和聚合物物理)、昂萨格(Onsager,胶体、液晶和聚合物物理)、Flory(聚合物物理)、deGennes(液晶物理、聚合物物理、颗粒物质和乳状液)、Lifshitz(聚合物物理)和Edwads(聚合物物理和颗粒物质物理)等20世纪的著名物理学家,都对软物质各领域作出过杰出贡献.显然,软凝聚态物质(软物质)是凝聚态物质中的一大类.它们由于具有黏弹性而不同于简单的液体,因为简单的液体只有黏性而没有弹性.种类繁多的软物质往往是长程无序而在短程却近似有序.具体来说,可以列举下面一些软物质:①日常生活中常见的东西,油漆、牙膏、肥皂等;②生物物质,包含动植物的软组织,事实上,人体可以说是一部“软机器”;③胶体弥散物;④聚合物融体或溶液;⑤液晶体.软凝聚态物理以软物质为研究对象，它的领域迅速扩展,其中特别受人注意的有三个互补的不同领域,即对胶体、聚合物及表面活性剂(例如胶束及微乳剂、液晶)的研究.

软凝聚态物质(Soft condensed matter)又称软物质或称复杂液体(complex fluid)，是指处于固体和理想液体之间的物质.它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.软物质在介观尺度(约l0mn-10m)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.软物质运动规律和行为主要不是由量子力学和相对论的基本原理直接导出，而是由内在特殊相互作用和随机涨落而引起，软物质的许多新奇行为、丰富的物理内涵和广泛的应用背景引起越来越多物理学家的兴趣，软物质物理已成为物理学的一个新的前沿学科，是具有挑战性和迫切性的重要研究方向.

2　软凝聚态物质特性及研究重要性

2.1特性

组成软凝聚物质的单元和单元间的相互作用有如下一些共同特征,体现着软凝聚物质的柔性和复杂性:

（1）尺度介于原子大小和宏观尺寸之间(约l0mn -10m)，可应用粗粒模型而略去原子尺寸的细致结构；

（2）容易偏离平衡态；

（3）一般认为可忽略的影响,如重力引起的变形、热涨落引起的粒子的布朗运动等,可能很重要；界面的考虑很重要,表面张力的影响可能导致独特的结构；

（4）在复杂的生物物理化学过程的驱动下,有形成自组织的倾向；

（5）软物质容易变形,说明它们具有小的弹性系数.通常原子的弹性系数约为GPa量级;胶体或聚合物的弹性系数为约为Pa量级.

软物质介于固体和液体之间:既有弹性,又有黏性,即具有黏弹性,属于流变学处理的对象.由于软物质的以上特性,软凝聚态物理中遇到的问题常常是非平衡、非遍历、非线性、非局域、绝热和长程无序,增加了理论处理的复杂性.

2.2重要性

软凝聚态物质是物质世界的一个主要组成部分.状态处于固态和气态之间，原子或分子之间有很强的相互作用而相互凝聚，但原子或分子又不像结晶固体那样具有周期性有序排列.

液态物理学是近年来日益受到重视的领域之一，已取得了许多重要进展，但总的说来，与气态和固态相比，对软凝聚态物质的认识还很不充分.这主要是由于对软凝聚态物质研究存在理论和实验上的困难.实验技术的发展，理论和计算能力的不断增强，特别是社会和技术发展的迫切需要，是液态物理学发展的巨大动力.

液体可以分为简单液体和复杂液体两类.前者包括一般液体、熔体、溶液等，很多材料的制备是以液体为母体的，如冶金、玻璃制造、晶体生长等.对于简单液体的研究不仅能认识这一基本物质形态，而且直接关系到对材料制备机理的了解、物相的获取、质量和成分的控制、工艺的改进.而复杂液体又称软物质或软凝聚态物质，是指处于固体和理想流体之间的物质.一般由大分子或基团(固、液、气)组成，如聚合物、胶体、颗粒物质、生命体系等，在自然界、生命体、日常生活和生产中广泛存在.软物质与人们生活休戚相关，如橡胶、人造纤维、洗涤液、乳液及药品和化妆品等；如电(磁)流变液，是固体粉末与液体混合物体系，通过改变施加的电场(或磁场)强度，可连续调节其软硬程度，且响应时间很快，这种奇特性质，有重要应用前景，可以用作机电一体控制的元件或部件，如减震器、机器人等.

再如，颗粒物质，日常生活中司空见惯，可涵盖各类分离态物质，如沙石、泥土、矿物、粮食及其他散态物质等.塌方、泥石流、雪崩及河流浮冰积堵等自然灾害现象，以致公路上车辆流动规律等均属于研究对象.颗粒物质既类似固体，流动时又像液体、气体.但其运动规律很复杂，目前远未认识清楚.近来，软凝聚态物质物理已成为国际上受到普遍重视的新兴学科领域.软凝聚态物质的研究横跨物理、化学、生物三大学科领域，软凝聚态物质物理学研究的深入开展，是物理科学通向生命科学的桥梁.软凝聚态物质物理学代表了2l世纪凝聚态物理学发展的重要趋势.

3　软凝聚态物质研究展望

尽管人们接触软凝聚态物质已有很长的历史,并对若干体系(如高聚物、液晶、胶体等)做了许多研究工作,但将软凝聚态物质作为一类普遍物质形态进行深入的物理研究还只有十多年.近年来,在国际上许多大学和研究机构均在大力开展软凝聚态物质研究，美国和欧洲各国开展研究比较广泛深入,日本科技厅也设立重大项目支持此类研究.这一研究倾向也明显反映在科学出版方面.

软凝聚态物质中的复杂液体的特殊结构和特性也引起了人们的广泛关注.它不但有丰富的物理内涵，而且还有重要的应用前景.在一些悬浮液和混合液中，液体和固体颗粒在相互作用和外场的作用下，可以产生奇特的结构和性质变化，磁流体在磁场中形成的自组织行为，胶体颗粒在液体中的分形聚集是大家普遍了解的现象.电(磁)流变液在电(磁)场作用下可发生“液一固”转变，通过电(磁)场作用的变化可实现软一硬连续变化，被称为“智能液体”.悬浮液中固体颗粒尺度与光波波长相近时，在光驻波场的作用下可形成有序排布，光在其中传播就会像电子在晶体中的行为一样形成能带结构和局域化现象，称之为“光子晶体”.微乳液(microemulsion)则是在表面活性剂作用下的一种重要的液一液分散体系，形成热力学稳定的自组装聚集态结构.分散微区的尺寸为几个纳米到几百纳米，形态多种多样，这种复杂液体的结构和性质与一般液体很不相同.复杂液体组成和结构的复杂性，柔软、弛豫和其他特殊性质是固体物理中没有遇到过的新问题，吸引了愈来愈多的物理学工作者进行开拓性的研究，已成为凝聚态物理学的一个重要的前沿研究领域.

3.1聚合物体系

聚合物体系是由简单的组成单位重复多次聚合而成的长分子链，常见的有聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等.化学家能够使一个简单的结构单元重复105次而不发生错误，这是非常了不起的技术.我们周围有很多基于链状分子的物质，如木料、食品、化纤、生命体等等，由于聚合物的分子很长，作为一个合适的模型，聚合物可以近似地看成由M个长度为n的单体连接形成的链，这里每个单体不必为前述的重复分子单元，而是长度为n的硬棒，单体之间顺序相连，通常单体之间的相互作用可取为各种方式来模拟实际系统，在溶有这类长链分子的稀溶液中，长链分子基本处于自由状态，其形状非常类似于布朗粒子的无规运动的轨迹（通常称为随机行走）.

由于长链形分子的通性,许多聚合物的物理性质具有一些共同的特点.例如,不同分子不能互相穿过这一通性导致单个分子长链出现纠缠.长链上节点(原子基团)间的键合主要分为2种类型:化学键合(共价键、氢键)和物理键合(如通过van dewaals 力).在前一种类型中,键长在聚合过程中固定;在后一种类型中,键长则随外部氛围而变.

3.2膜和表面活性剂

膜是一种二维的具有柔软性的面!通常由双亲性表面活性剂或生物上非常重要的脂类分子形成.表面活性剂（如洗涤液）和脂类分子是一种两端具有不同选择亲和性的链状分子，一端亲水而另一端亲油.在水、油和双亲分子的三元混合物中，这类分子通常被吸引到油和水的界面位置，也能处于水与空气的界面上.这些分子能极大地降低系统的表面能或界面能，形成像乳剂、泡沫类的系统.

当表面活性剂溶解于水中时，这类分子可自发形成各种不同的结构，以避免厌水端与水接触.当表面活性剂的浓度较高时，他们形成双层膜，这种膜可以具有不同的拓扑结构，如延展的二维曲面、闭合面（如球状、梨状等）以及复杂的类似于铜的费米面形状的多连通形状.这些膜是柔软和类流体的，其形状非常容易改变，膜中的分子在膜内可自由扩散.一种非常有意义的膜的结构是所谓的泡囊.这是一种尺度很大、相当柔软的物体，它具有不让水中溶质透过的特性.泡囊的性质主要与表面活性剂不溶于水的特性有关，其在表面的活性剂分子数固定后能自动对表面进行调节，使泡囊的表面张力下降到零.由于泡囊不具有表面张力，其形状就允许产生很大的涨落，使它可以通过一些非常狭小的区域（如红血球通过毛细血管）.另一种重要的形态是层状相，其中最常见的是双层.皂类物质都具有这种结构，如果形成的层非常柔软，层和层之间可能发生无序的交叠，形成多种不同的拓扑结构，这种形态称为海绵相.

随着国际上对软物质,特别是生物软物质研究的持续升温，特别在以下几个方面表现的尤为突出:

（1）生物聚合物物理.DNA和蛋白质的单分子弹性和动力学；细胞骨架和网络及相关集合体的相互作用；生物聚合物溶液、胶体、聚集体、膜等的静电效应、表面效应等.

（2）颗粒的动力学和结构.颗粒物质的流动动力学、结构、相变和自组织；各向异性颗粒及带电颗粒的相互作用；这些物质组成的结构在应用于光子学、电子学、传感器、模板、仿生,以及医学诊断和治疗中的物理学问题.

（3）核酸-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用:从单分子到生物系统.将主要集中于研究支配核酸(DNA和RNA)与蛋白质相互作用的物理机制.实验方法上，单分子成像、荧光、单分子操纵、皮牛力测量、微悬臂、微纳流控技术等将得到大力发展.研究的系统将包括DNA复制、转录、转录调控、蛋白质导致的DNA弯曲和压缩、蛋白质沿DNA的扩散、受体-配体结合的热力学和动力学、操纵DNA的分子马达和酶的动力学等.

（4）理论计算和模型建立.随着计算技术的快速发展，对软物质体系，特别是生物大分子的理论模拟将有长足的发展.分子动力学、蒙特-卡洛(Monte Carlo)方法等计算手段将越来越完善，达到较高的解释和预测水平，对一些动力学模型的建立将起较大的推动作用.

4　结束语

在20世纪，科学技术取得的成就是史无前例的，但是人类在激光、超导、航天、通信、计算机等技术方面的开拓和应用大都建立在我们对硬物质世界的深刻认识和理解的基础上.现在我们已经越来越感受到软凝聚态物质时代急切的步伐，生物医学、分子生物学、遗传工程在20世纪已经获得了相当的成就，但更重大的突破和进展依赖于我们在软凝聚态物质领域更深层次的认识.软物质的研究目前作为凝聚态物理学的一个前沿领域，无论国外还是在国内都正处于起步发展阶段.由于软凝聚态物质的研究对生命科学和材料科学等具有的科学意义和应用价值，其未来发展趋势不可低估.如果20世纪的物理学开拓了对物质世界的新认识，研究和深入认识了“硬物质”，对技术和社会产生了巨大推动作用，那么，21世纪甚至是未来就可以被称为生命科学的世纪，也是软凝聚态物质的世纪，对软凝聚态物质的深入研究将对生命科学、化学化工、医药、食品、材料、环境、工程等领域及人们日常生活产生广泛的影响.

参考文献:

〔1〕中国科学院数理学部.我国物理学与其它科学交叉的现状、问题及对策[J].中国科学院院刊, 2006,21(4):2702273.

〔2〕马红孺,陆坤权.液态物理进展.上海:上海交通大学出版社,2003.204.

〔3〕LiW, Dou S X, Xie P, et al. B rownian dynam ics sim ulation of the effect of histone m odification on nucleosom e structure [J]. Phys Rev E(S10632651X),2007,75,051915.

〔4〕Wang H,Ouyang S. Effect of colored noises on spatiotem poral chaos in the com plex Ginzburg2Lan2dau equation [J]. Phys Rev E (S10632651X),2002,65: 0462062046211.

〔5〕Zu F Q, Zhu Z G, Guo L J, et al. L iquid2liquid phase transition in Pb2Sn m elts[J]. PhysRevB(S016321829).2001,64:1802032180207.

〔6〕马红孺，陆坤权.软凝聚态物质物理学[J].物理，2000（29）：516-524．

〔7〕G．Franzese，G．Maleseio，A．Skihinsky et．a1．Genericmechanism for generating a liquid—liquid phase transi—tion[J]．Nature．2001，409：692—695．

〔8〕B．Dubertret，S．M．Liu，Q．Ouyang at．a1．Dynamics of DNA—protein interaction deduced from in vietro DNA evolution [J]．Phys．Rev．Lett．2001，86：6022—6025．

〔9〕F．Q．Zu，z．G．zhu，L．J．Guo et．a1．Liquid—liquidphase transition in Pb—Sn melts[J]．Phys．Rev．B．2001，64：180203一i80207.

收稿日期：2015-11-05

中图分类号：O469

文献标识码：A

文章编号：1673-260X（2016）01-0006-03