軟物質(zhì)科學簡介

神奇的軟物質(zhì)與人類社會一、軟物質(zhì)科學簡介1991年法國物理學家P.G.deGennes在他的諾貝爾獎演說中將過去常被稱為“復雜流(Complexfluids)體”的分子體系冠名“軟物質(zhì)(SoftMatter)”；軟物質(zhì)研究的對象包括:聚合物(Polymers)、液晶(LiquidCrystals)、表面活性劑(Surfactants)、膠體(Colloids)、乳狀液(Emulsions)、泡沫(Foams)、顆粒(Particles)物質(zhì)以及生物大分子等與我們?nèi)粘Ｉ罴吧芮邢嚓P的物質(zhì)—分子體系；最有代表性的物質(zhì):高分子、膠體、液晶、生物大分子或與之相關的物質(zhì)。1）基本概念：P.G.DeGennes,1991年諾貝爾物理獎，把研究簡單系統(tǒng)有序現(xiàn)象的方法，應用到更為復雜物質(zhì)、液晶和聚合體作出貢獻。2)軟(Soft)?硬(Hard)軟物質(zhì)的兩個本質(zhì)特征：非常弱的外界作用具有非常強的響應(Molecularsystemsgiveastrongresponsetoaveryweakcommandsignal)；非常小量的添加劑能夠戲劇性地改變體系性質(zhì)。軟與硬的根本區(qū)別：

軟物質(zhì)以“軟”及“非周期性”或以“高對稱性”(Infinitesymmetry)以別于一般的硬物質(zhì):軟物質(zhì)的性質(zhì)及組成一般都是跨越多個空間及時間尺度;對臨界現(xiàn)象(Criticalphenomena)的研究導致了標度(Scaling)和普適性(Universality)的出現(xiàn)，進而開展了重整規(guī)劃群理論（Renormalizationgrouptheory）；

3.對稱破缺(BrokenSymmetry)、有序參數(shù)(OrderParameter)及分形(Fractal)的概念也從這一學科萌芽擴張，甚至于進入到其他學科；4.散射及反空間（Reciprocalspace）的研究成了研究軟物質(zhì)中“Correlatedstructure”(關聯(lián)結(jié)構(gòu))的必要手段之一。而中子(Neutron)及同步輻射x-ray(Synchrotron

x-ray)的發(fā)展幫助了這一學科在實驗表征上的進展。5.決定體系穩(wěn)定性的自由能(△F)的焓一般較小，而熵又較大，因此熵更見重要性，進而顯示出漲落(Fluctuation)的重要性，也使得體系的非平衡態(tài)問題,及非線性問題成為重要的難題。粗略的講，軟物質(zhì)主要包括了兩個方面：復雜性、易變性。

軟物質(zhì)的易變性指的是，軟物質(zhì)的抵抗力比較弱，變化通常也是非線性的，但系統(tǒng)變化的方向和大小還是可以知道的。

純天然的橡膠乳液氧化形成了固化的橡膠，但這種橡膠非常不結(jié)實，很容易就會因為空氣的繼續(xù)氧化而破碎。而將天然橡膠硫化之后就變得非常的耐用，不容易破碎。與氧同族的硫元素僅僅比氧的化學活性略差一點，但達到的效果卻迥然不同。硬物質(zhì)：大應力產(chǎn)生小形變軟物質(zhì)：小應力產(chǎn)生大形變二、軟物質(zhì)的分類：膠體：尺寸在1－100nm，固、液、氣體顆粒分散在液體中的流體。固體顆粒：油漆(乳液，TiO2)、紙漿、冰淇菱液體顆粒：牛奶(脂肪)、蛋黃醬、洗潔精氣體顆粒：泡沫(肥皂泡)懸浮液：尺寸>1mm的固體顆粒分散于液體中的流體。微乳液：在表面活性劑作用下，幾百nm－1mm以上液體顆粒分散于液體中的流體。如，農(nóng)藥。乳液：液體顆粒進一步變大--不透明流體。如，日常護理品，牛奶等。顆粒：m－10－4m，如，沙塵暴、泥石流、雪崩。三、軟物質(zhì)在社會中廣泛存在：早在1861年，Graham研究了研究了溶液中溶質(zhì)的滲透行為，發(fā)現(xiàn)有些溶質(zhì)是不能通過半透膜，這些物質(zhì)被稱為膠體。膠體尺寸較大，1-100nm。1866年，Berthelot合成了第一個人造高分子－－聚苯乙烯，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應用在塑料、薄膜的合成生產(chǎn)中。1931年，Carothers做出了第一個尼龍聚合物?！浳镔|(zhì)如液晶、聚合物、膠體、膜、泡沫、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。下面以具體的實例進行說明：

1.軟物質(zhì)－－液晶(liquidcrystal)：

溶致液晶可以作為模板合成具有奇特形貌的納米粒子；

熱致液晶是一種非常重要的新材料，在數(shù)字手表、電子記事本、便攜式電腦有重要應用。引起分子排列長程有序的主要原因是溶質(zhì)與溶劑分子之間的相互作用由單一化合物或由少數(shù)化合物的均勻混合物形成的液晶。通常在一定溫度范圍內(nèi)才顯現(xiàn)液晶相的物質(zhì)。按照棒形分子排列方式把熱致晶體分為三種：向列相液晶，近晶相液晶，膽甾相液晶。Howdoesitdodramatically?在不同的溫度下，它可以呈現(xiàn)出固態(tài)或液態(tài)的特征，它的分子（像拉長的小棍）排列的很規(guī)則，是典型的結(jié)晶體式的排列。它有兩種可熔溫度：在第一個可熔溫度下，晶體由固體變“不透明”的液體，而當溫度升高之后，它就達到了第二個可熔點，成為正常的透明液體。液晶不同的部位分布不同的電極。當不同部位根據(jù)要求依次開、關電路時，有的部位有電流通過，分子的排列順序受到干擾，晶體的這部位就失掉了它的透明度。變成了不透明的點。按用途一般將通用高分子材料分為五類，即塑料、橡膠、纖維、涂料和黏合劑。日常生活用品、衣服質(zhì)料、裝飾用品等都用廣泛應用。Aninterestingstory:大約在2500年前．在亞馬孫河流域的印第安人常把巴西三葉膠樹汁涂抹在腳上，約20分鐘后，這種奇怪的液體就可以在印第安人的腳上凝成了一雙靴子但不久．這種橡膠靴又會破碎成碎片原來橡膠在化學上屬于軟物質(zhì)．含有大量的鏈狀高分子，這些高分子本來是相互獨立流動的，但暴露在空氣中，橡膠中的碳原子與氧會發(fā)生反應，就會戲劇性地改變橡膠的彤態(tài)，便之凝固起來．隨著時間的推移，更多的碳原子與氧繼續(xù)發(fā)生反應。橡膠的形態(tài)又會被戲劇性地改變而破碎。2.軟物質(zhì)－－高分子：3.當水變成軟物質(zhì)……當水中添加一點溶于水的高分子長鏈物質(zhì)(哪怕只有0.001％)，水就會變成軟物質(zhì)，它雖然看起來還是清澈透明的，但是其性質(zhì)卻變得讓人吃驚。Whatwillhappen?1mL普通水倒在地上，她會馬上四散濺開，但是軟物質(zhì)水反而會變扁、彈起，像一團柔軟的橡皮一樣。石油開采時，一般采用這種添加了高分子的水沖擊油礦，抱成一團的軟物質(zhì)水就會把石油從油礦中趕出來。消防水中經(jīng)常添加少量聚乙烯氧化物，可使消防車龍頭噴出的水的高度提高一倍以上。

在墨汁中加一點阿拉伯膠就能使墨汁穩(wěn)定存在很長時間．一點鹵水就能使豆?jié){變成豆腐。表面活性劑達到一定濃度后，可以自聚集形成多種聚集體，用于洗滌、乳化、起泡、消泡等。如，日常用的洗衣粉、香波等。4.膠體體系也是一種很好的軟物質(zhì)：5.軟物質(zhì)－－微乳液：三種類型：W/O,O/W,BC在日用化工、三次采油、農(nóng)藥等有重要應用。泡沫特點：原液一旦噴出，體積擴大約100倍，泡沫“無孔不入”，塌縮后成液體，水沖消除。泡沫的用途：滅菌、去除污染；霜降前的“泡沫裝”；防止煤礦地下火災；防暴等。6.軟物質(zhì)－－泡沫：7.“超市里的隱形管家”－－傳感泡沫

研究者最近開發(fā)除了一種新穎的傳感泡沫，他們是由柔韌的聚烯烴薄片制成，每隔四分之一毫米即有一個空氣間隙，所以這種材料非常輕便且富有彈性。當然，這些泡沫和那些普通的包裝墊料是不一樣的。在其體內(nèi)，含有金屬物質(zhì)，因此可稱之為“電子傳導條”。當一件物品置于泡沫之上，它就被輕微壓緊了一點，于是電子傳導條會發(fā)生改變。當貨架上物品重量達到一定限值是，它就會發(fā)出提示，告知管理員貨架該上新產(chǎn)品了。每個泡沫傳感器可以感知每平方米至少10克的變化，這對于監(jiān)視超市的貨架變化情況已經(jīng)足夠了。8.軟物質(zhì)造就了生命體……

我們的身體就是由細胞、體液、蛋白質(zhì)和DNA等組成。細胞膜是軟物質(zhì)，體液屬于膠體．也是軟物質(zhì)．而蛋白質(zhì)和DNA是長鏈大分子，也是軟物質(zhì)。細胞細胞膜蛋白質(zhì)9.軟物質(zhì)在現(xiàn)代社會中的地位21世紀被認為是生命科學的世紀，從物質(zhì)劃代角度來看，這也是軟物質(zhì)的世紀。如果沒有軟物質(zhì)，生命也不復存在。任何生物結(jié)構(gòu)（包括DNA、蛋白質(zhì)和生物膜）都是建筑在軟物質(zhì)的基礎上。和軟物質(zhì)密切相關的領域：新材料、生物、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)、藥業(yè)、交通、制造業(yè)。對軟物質(zhì)的深入研究將對生命科學、化學化工、醫(yī)學、藥物、食品、材料、環(huán)境、工程等及人們?nèi)粘Ｉ钣袕V泛影響。①軟物質(zhì)與人們生活休戚相關，如橡膠、人造纖維、墨水、洗滌液、飲料、乳液及藥品和化妝品等等；②在技術上有廣泛應用，如液晶、聚合物等；③生物體基本上均由軟物質(zhì)組成，如細胞、體液、蛋白、DNA等。軟物質(zhì)物理已成為國際上受到普遍重視的新的學科領域。軟物質(zhì)的研究橫越物理、化學、生物三大學科，特別是軟物質(zhì)物理研究的深入開展，是物理科學通向生命科學的橋梁。軟物質(zhì)物理代表了在21世紀凝聚態(tài)物理發(fā)展的重要趨勢。由于歷史的原因錯過了70年代到90年代的軟物質(zhì)科學快速發(fā)展時期，也錯過了70年代末到90年代的高分子物理的“文藝復興”階段;傳統(tǒng)的化學支持下維持住了一部分的高分子、膠體、界面、液晶及生物科學的研究，但是在軟物質(zhì)的理論、物理、化學及實驗上卻顯得很薄弱。因此，要能在下一步的材料和應用上有所創(chuàng)新也顯得無力。四、軟物質(zhì)研究的遺憾：五、授課目的：1.獲取新的前沿的系統(tǒng)的知識；2.沒有高深的理論，通過簡單實例獲得實驗與概念的關系。Theaimofthisclassisnotenterintothelabyrinthoftheo