奇妙的软物质世界

虞一

避免腹背受敌

如果你是位武功高强的侠士，在一家旅店遭到歹人的围攻，你肯定会边打边向墙壁退去，直到背靠墙壁，因为墙壁可以让你不用考虑背部被袭击。从电影电视剧上，我们经常可以看到这种场面。若是两位俠士对付一群敌人，那么两位侠士就会背靠背靠在一起，这样两人都只需要对付眼前的敌人就够了。

我们人类会如此应对这种场面，但在我们眼里没有生命的小球竟然也会这么做。美国科学家曾做了一个有趣的实验：他们先将一个直径约为头发丝直径1/140的“大球”放到一个微型容器里。通过光学摄影的方法，可以看到大球在容器中任何一处都可以出现，就是说，大球在容器里会自由运动。然后他们把直径只有大球直径1/10的许多小球也放进去，奇怪的现象出现了：大球逐渐向容器壁退却，最后除了容器壁的周围一圈，大球再也不到容器的其他地方游走了！这种现象竟然与侠士受攻击时的抗敌过程是一样的。

难道大球也会思考出应对敌人攻击的策略？显然不是，这只是个很自然的过程：容器中的大球、小球都在不停地随机运动，运动中的小球会不停地从各个方向撞击大球。大球在不同方向上受到的小球撞击一般来说总有一些细微的差别，因此大球就会因受力不同而向某个方向运动。当大球碰到容器壁的时候，大球的一边因为容器壁的阻挡而免受小球的攻击，那么另一边的攻击只能让大球永远贴着容器壁。而在我们看来，大球好像是为了防止腹背受敌而躲在墙壁上了。

如果容器内有两个大球，那么这两个大球还会像那两位侠士一样并肩作战哩，而且这两个球还会一边并肩作战一边向容器壁退却。若是更多的大球在同一个容器里，容器里没有小球存在，大球会在容器里生活得自由自在，但是加入诸多小球后，大球们就会聚在一起，凝成一个紧密的团队。出现这些现象也是因为受力不均，只有大球们靠在一起，才是稳定的状态。

软物质的软功夫

上面讲的这个有趣现象就是在一种叫作“软物质”的世界里发生的。“软物质”的概念是1991年诺贝尔奖获得者、法国物理学家德热纳提出的。“软物质”，顾名思义，就是形态容易发生变化的物质。对这种物质施加很小的作用，它就会表现出很大的变化。它是介于纯液体与纯固体之间的具有一定流动性的物质，例如液晶、胶体、膜、泡沫、颗粒物质、生命物质、橡胶、墨汁、洗涤液、饮料、乳液及化妆品等。由于容易变化，所以软物质时常表现出非常怪异的性质。

我们再来看一个有关软物质的故事：大约在2 500年前，生活在亚马孙河流域的印第安人常把巴西三叶胶树汁涂抹在脚上，大约20分钟后，这种奇怪的液体就在印第安人的脚上凝成了一双靴子。但不久，这种橡胶靴又会破成碎片。原来橡胶在化学上属于软物质，含有大量的链状高分子，这些高分子本来是相互独立流动的，但暴露在空气中，橡胶中的碳原子与氧会发生反应，就会戏剧性地改变橡胶的形态，使之凝固起来。随着时间的推移，更多碳原子与氧继续发生反应，橡胶的形态又会被戏剧性地改变而破碎。

这个故事体现了软物质在微小的化学作用下发生巨大变化的性质。在日常生活中我们经常可以看到这类戏剧性变化。例如，雕塑家轻轻一捏就能改变黏土的形状；微小的振动可以让雪堆或沙堆发生雪崩或形成流沙；钮扣电池的微小电场可以让液晶分子发生明显变化，从而显示出不同的图像。

可见软物质都具有一定的软功夫，但不同种类的软物质还有其各自的奇异特性。

当水变成软物质……

对于水，我们是很熟悉的，但是当在水中添加一点溶于水的高分子长链物质时，水就会变成软物质，它虽然看起来还是清澈透明的，但是性质却变得让人吃惊。

用棒搅拌水，水会旋向四周，可是软物质水不但不会旋向四周，还会向中心聚集，并且还有沿着搅拌棒向上爬的趋势。1毫升普通水倾倒在地面上，马上四散溅开，但是软物质水不会溅开，而是反复变扁、弹起，像一团柔软的橡皮一样。

半杯水放在高处，我们如何不倾倒、不破坏杯子而让杯子里的水进入低处的杯子里呢？很简单，可以找来一根软管，把软管的一端插入高处杯子的水中，另一端放入低处的杯子中，当把软管吸满水后，水就会通过软管从高处的杯子流向低处的杯子。那么我们能否不用软管，让水自动化为一缕，攀过杯子壁，直挂下来，进入低处的杯子呢？可以的，只需要向水中加入很少量的能够溶于水的高分子长链物质。这时，我们把管子拔离水面，就会看到一缕水仍然源源不断地从杯子中升入管子，然后流向低处的杯子。当贴着杯子壁把管子撤掉，水会继续成缕地攀过杯子壁向外流，直到杯中的水都流光。这场面让人惊讶，这叫作无管虹吸现象。

软物质中的许多复杂的流体一般都具有上述怪异的性质。

同号电荷相吸，异号电荷相斥

胶体也是一种软物质，开篇所介绍的有趣现象就是发生在胶体中的。胶体是微小颗粒散布于均匀介质中形成的。雾是胶体，是水的小液滴散布在空气中形成的；烟是胶体，是固体小颗粒散布在空气中形成的；牛奶、牙膏是胶体，是液体中散布着小液滴或固体小颗粒。

胶体的软功夫主要体现在，向胶体中加入一点物质会引起胶体的大变化，例如在墨汁中加一点阿拉伯胶就能使墨汁稳定存在很长时间，一点红卤加入豆浆会使其变成豆腐。向胶体中加入小颗粒，胶体中的大颗粒会自动聚成团退到容器边上。

带电胶体颗粒还有种奇怪的现象：当两个带同号电荷的胶体颗粒被限制在两个玻璃板之间时，随着玻璃板的不断靠近，两个胶体颗粒会相互吸引。怎么会出现“同号电荷相吸”的现象呢？很让人费解。确实，同电荷胶体颗粒靠近某些表面时会表现出静电吸引作用，而且，在这种受两块玻璃板约束的胶体中，不但同号电荷的胶体颗粒会相互吸引，异号电荷的胶体颗粒还会相互排斥！

产生这种现象的原因科学家还不清楚。显然，对于带电胶体颗粒的静电作用颠倒的现象研究将是非常有意义的。

神奇的囊

洗衣粉、磷脂之类物质的分子，一端溶于水，一端不溶于水，若分散到水中或油中就会形成各种形状的膜：单层的、双层的、平面的、球状、梨状、囊状等。膜是柔软的，有一定的流动性，膜中的分子在膜内可以自由移动和扩散，因此膜的形状和面积会随外界条件的变化而变化，它很容易形成，也很容易破裂。膜也是一种典型的软物质。

有一种非常有意义的膜叫作泡囊。它是一种由双层分子膜构成的柔软的囊状体，小的如细胞大小，大的可以达到几毫米，囊的内部可以装上溶于水的各种营养物，然后整个泡囊还可以在水中到处游走，且囊中的营养物质不会跑出来。囊的体积可以在一定范围内变大变小，形状可以千变万化，细长、浑圆，都可以，真有点像我们用来装东西的囊。最具有代表性的泡囊就是细胞膜，细胞膜包着细胞液和各种细胞器，但是这些物质却不会轻易跑到细胞膜外。能证明细胞膜的形状可以随意变化的明确证据就是直径几微米的红细胞可以挤过直径只有0.2微米的毛细血管，红细胞囊需要变得多么细长啊！泡囊一般不会破裂，一旦被刺破，也会自动愈合上。

软物质造就了生命体

我们的身体就是由细胞、体液、蛋白质和DNA等组成，我们已经知道细胞膜是软物质，体液属于胶体，也是软物质，而蛋白质和DNA也是软物质。

蛋白质分子能够随着环境的变化随时调整自己的形态，直到最稳定。因此蛋白质的形态容易变化，可以在生物反应时，从一种形态变到另一种形态，因此它可以用作酶来催化体内的生物反应。蛋白质分子在一定外界条件下，只有一种形态是最稳定的，因此不管蛋白质分子链有多长，只要所处的环境相同，它们的折叠过程和最后的形态都是一样的。

同样道理，DNA分子的形态也是相对稳定的，通常以双螺旋的形式存在，但是当体内环境改变，例如DNA分子复制前，DNA还会解开螺旋状态。那么DNA为什么不是以乱麻的形式存在呢？更杂乱的状态岂不更稳定？不是这样的。就像胶体中若存在大球和小球，最稳定的状态并不是大球和小球随机杂乱分布，而是大球和小球分离，大球比较规则地聚集起来。

由于软物质相对稳定和有规则变化，由软物质构成的生命体也就被赋予了超凡的能力：在需要稳定时稳定，在需要变化时变化。是软物质的“软功夫”造就了不断对外界环境做出反应，不断新陈代谢、生长变化的生命体。

编辑/张怀宇