學科前沿講座課程1

1、學科前沿講座中國礦業(yè)大學理學院物理10-03班10104625莫尚偉軟物質(zhì)的研究現(xiàn)狀中國礦業(yè)大學莫尚偉摘要：主要講述了軟物質(zhì)的定義、分類、用途、應用領域以及軟物質(zhì)的研 究前景。軟物質(zhì)物理已經(jīng)成為物理學的一個新的前沿學科，是具有挑戰(zhàn)性 和迫切性的重要研究方向。關鍵詞：軟物質(zhì)；硬物質(zhì)；物理體系；熵；顆粒物質(zhì)1991年，諾貝爾獎獲得者、法國物理學家德熱納在諾貝爾獎授獎會上 以軟物質(zhì)”為演講題目，用軟物質(zhì)一詞概括復雜液體等一類物質(zhì)，得到廣 泛認可。從此軟物質(zhì)這個詞逐步取代美國人所說的“復雜流體”，開始推動一 門跨越物理，化學，生物三大學科的交叉學科的發(fā)展。軟物質(zhì)如液晶、聚合物、膠體、膜、泡沫、顆粒物質(zhì)

2、、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。它們與人們生活休戚相 關，如橡膠、墨水、洗滌液、飲料、乳液及藥品和化妝品等等；在技術上 也有廣泛應用，如液晶、聚合物等；生物體基本上由軟物質(zhì)組成，如細胞、 體液、蛋白、DNA等。在我們?nèi)粘Ｋf的“軟”的概念里，主要的特征就是容 易形變。在軟物質(zhì)這個名詞里也有類似的含義。對于軟物質(zhì)德熱納給出一個重要的特征：弱力引起大變化。在他的 科普作品軟物質(zhì)與硬科學一書中以橡膠為例，說明了軟物質(zhì)的性質(zhì)。 放進一點硫，液態(tài)的橡膠樹就變成了固態(tài)的橡膠；一點骨膠可以使墨汁多 年不變質(zhì)；一點鹵汁使豆?jié){變成豆腐；非常微弱的電流，就能使液晶從透 明變成不透明。這

3、些現(xiàn)象告訴我們：你只須施加微小的作用，軟物質(zhì)的形 狀和性質(zhì)就會大變。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。這就是所謂的弱力引起大變 化。德熱納在書中寫到：如果你數(shù)一數(shù)與硫磺反應的碳原子數(shù)目，你會發(fā)現(xiàn)其只占1/200,這是一個具有代表性的數(shù)據(jù)。然而，這種及其微弱的 化學反應已經(jīng)足可以引起物質(zhì)的物理狀態(tài)從液態(tài)變到固態(tài)：流體變成了橡 膠。這證明物質(zhì)狀態(tài)能夠通過微弱的外來作用而改變狀態(tài)，就如雕塑家輕 輕地壓一壓大拇指就能改

4、變粘土的形狀。這便是軟物質(zhì)的核心和基本定義 【1io ”軟物質(zhì)運動規(guī)律和行為主要不是由量子力學和相對論的基本原理直接導 出，而是由內(nèi)在特殊相互作用和隨機漲落而引起，軟物質(zhì)的許多新奇行為、豐富 的物理內(nèi)涵和廣泛的應用背景引起越來越多物理學家的興趣。軟物質(zhì)的基本特性是對外界微小作用的敏感和非線性響應、自組織行為、空 間縮放對稱性。物理體系的狀態(tài)可以由體系的內(nèi)能以及熵與溫度的乘積來共同描述。 由于內(nèi)能的變化與體系受力相關，那么在一定溫度下，對于軟物質(zhì)，如果 受到的力不大，那么其內(nèi)能的改變也不會大，而在這樣的弱力作用下，又 要求體系發(fā)生比較大的變化，那么就一定得要求它的熵變化劇烈。也就是 說，在軟物質(zhì)

5、中體系的變化主要是由熵引起的，或者說熵占據(jù)了主導地位。 這樣軟物質(zhì)就可稱作是由熵操縱的物質(zhì)。在熵力的作用下，軟物質(zhì)體系會 出現(xiàn)很多新奇的行為，比如原本混亂的微觀體系會變得井然有序，復雜的 蛋白質(zhì)分子會自行折疊成特殊的結構等等。利用這些性質(zhì)，我們可以制造 許多有特殊性質(zhì)的軟材料，它們是硬材料難以取代的。20世紀的物理學開拓了對物質(zhì)世界的新認識，研究和深入認識了“硬物質(zhì)”，如金屬，半導 體，陶瓷等等，對于技術和社會產(chǎn)生了巨大推動作用。21世紀被稱為生命科學的世紀，然而，任何生命結構（DNA、蛋白質(zhì)等等）卻正是建立在軟物 質(zhì)的基礎上。作為人類未來技術中的重要組成部分以及生命本身不可或缺 的基石，軟物

6、質(zhì)的許多新奇行為、豐富的物理內(nèi)涵和廣泛的應用背景引起 越來越多物理學家的重視與研究。軟物質(zhì)與一般硬物質(zhì)（如金屬、陶瓷等）的運動變化規(guī)律有許多本質(zhì)區(qū)別。 例如：拉伸橡皮的恢復力是熵力所致，與拉伸彈簧的恢復力明顯不同；雙親分子 的界面作用與其他物質(zhì)界面有很大差別；生命物質(zhì)的活性不能用普通物質(zhì)的運動 規(guī)律去理解等等。軟物質(zhì)與人們生活密切相關，在技術和生產(chǎn)上有廣泛應用背景。 以我國目前正在研究的兩種軟物質(zhì)體系為例：我們研究的電（磁）流變液，是固 體粉末與液體混合物體系，通過改變施加的電場（或磁場）強度，可連續(xù)調(diào)節(jié)其 軟硬程度，且響應時間很快，這種奇特性質(zhì)，有重要應用前景，可以用作機電一 體控制的元件或

7、部件，如減震器、離合器、制動器、機器人等。再如，我們正在 研究的顆粒物質(zhì)，日常生活中司空見慣，可涵蓋各類分離態(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害 現(xiàn)象，以致公路上車輛流動規(guī)律等均屬于研究對象。顆粒物質(zhì)既類似固體， 流動時又像液體、氣體。但其運動規(guī)律很復雜，目前遠未認識清楚。因此顆粒物 質(zhì)【2】被稱為一種新物質(zhì)類型，成為近年活躍的研究領域。顆粒物質(zhì)在自然界、日常生活及生產(chǎn)和技術中普遍存在。例如：自然界中的 沙石、土壤、浮冰、積雪等；日常生活中的糖、鹽等；生產(chǎn)和技術中的煤炭、 礦石建材以及不少藥品、化工品也是顆粒物質(zhì)。很多離散的物質(zhì)體系，例

8、如散裝 貨物運輸、地球板塊運動以及車輛的流動等也常作為顆粒性體系來處理?？梢哉f 顆粒物質(zhì)是地球上存在最多、最為人們熟悉的物質(zhì)之一。我們這里所說的顆粒物 質(zhì)一般是講直徑為微米級別的所組成的體系。它的運動也就是我們通常所熟知的 布朗動動了。它的運動受到溫度的影響很大，所有在不同的溫度下可能會表現(xiàn)出 許多奇特的現(xiàn)象。軟物質(zhì)包括范圍廣泛，這類物質(zhì)均屬于復雜體系，與一般固體和液體有不同 的運動規(guī)律，是多學科相關的研究領域，更是通向研究生命體系的橋梁。20世 紀的物理學開拓了對物質(zhì)世界的新認識，相對論和量子力學起了支配作用。在此 基礎上，研究和深入認識了“硬物質(zhì)”（如金屬、半導體及各種功能物質(zhì)），對技 術

9、和社會產(chǎn)生了巨大推動作用。軟物質(zhì)涉及很廣，有很多問題需要深入認識。我國對軟物質(zhì)物理的研究還 很薄弱，尤其是實驗研究開展更少。21世紀物理學的主要目標之一是對復雜體 系運動規(guī)律的研究，特別是生命體系的研究。我們軟物質(zhì)物理實驗室的主要研究 方向包括：顆粒物質(zhì)及膠體的相互作用和動力學；低維軟物質(zhì)及其界面結構和性 質(zhì)；可激系統(tǒng)的時空動力學行為；蛋白質(zhì)折疊動力學；后基因組時代的蛋白質(zhì)結 構分析方法。其中，關于蛋白質(zhì)及其結構的研究是重要方向。人類基因組測序的 基本完成，標志著“后基因時代”的開始。其必然發(fā)展之一，就是“結構基因組學” 的興起。它以基因組序列為基礎進行系統(tǒng)的結構生物學研究，主要是關于蛋白質(zhì)

10、及其結構的研究。其目的是要從分子的層次去理解生命過程，并從根本上尋找預 防、診斷和治療一些重要疾病的途徑。物理學家必須在此領域開展工作，尤其是 要加強實驗研究。目前國內(nèi)須注重建立和加強研究生物有關的實驗條件和方法， 使我們軟物質(zhì)物理研究更好地進入生命科學領域。就目前國內(nèi)以及國際上看來，以下幾個方面研究的比較活躍，有望在近期取 得這幾個方面的突破性的進展：生物聚合物物理。DNA和蛋白質(zhì)單分子彈性和動力學；細胞骨架和網(wǎng)絡 以及相關集合體的相互作用；生物聚合物溶液，膠體膜等靜電效應和表面效應等。塊狀共聚物物理。塊狀共聚物的有序一有序，有序一列序相變，動力學以及結構問題，塊狀共聚物稀溶液以及由其組成的微泡等介觀體系的物理問題。顆粒的動力學與結構。顆粒物質(zhì)的流動動力學，結構，相變與自組織；各 向顆粒以及帶電顆粒的相互作