納米材料與軟物質(zhì)的研究現(xiàn)狀應(yīng)用及未來(lái)發(fā)展模板

資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系改正或者刪除。納米材料與軟物質(zhì)的研究現(xiàn)狀、應(yīng)用與未來(lái)發(fā)展1引言1990年,第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議與第五屆國(guó)際掃描隧道顯微學(xué)會(huì)議同時(shí)在美國(guó)巴爾的摩舉辦,《納米技術(shù)》與《納米生物學(xué)》兩種國(guó)際專業(yè)期刊相繼問(wèn)世,標(biāo)志一門嶄新的科學(xué)技術(shù)——納米科技的誕生。從此納米科技得到科技界的廣泛關(guān)注,并迅猛發(fā)展。1991年,諾貝爾得主、法國(guó)物理學(xué)家P.G.DeGennes在諾貝爾授獎(jiǎng)會(huì)上以”軟物質(zhì)(SoftMatter)”為題進(jìn)行演講,提出了軟物質(zhì)的研究,統(tǒng)一了歐洲科學(xué)家筆下的”軟物質(zhì)”與美國(guó)科學(xué)家口中的”復(fù)雜流體”兩個(gè)稱呼。從此,軟物質(zhì)研究作為物理學(xué)的一個(gè)重要研究方向得到了廣泛的認(rèn)可。納米材料與軟物質(zhì)的研究都是從20世紀(jì)80年代開始的,是在之前三次工業(yè)革命的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的的新興科技領(lǐng)域。巨大的需求與技術(shù)支撐,使其在誕生之初就顯現(xiàn)出蓬勃的生命力,而且對(duì)它們的研究經(jīng)久不衰。在知識(shí)與學(xué)科互相交叉的今天,納米材料與軟物質(zhì)有可能相互結(jié)合,在材料、生物、醫(yī)學(xué)、高分子等領(lǐng)域開拓出一片片新大陸,筑起21世紀(jì)工業(yè)革命的基石。2納米材料的概念廣義的納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。按照維數(shù),納米材料的基本單元能夠分為三類:零維,指在空間三維尺度均在納米尺度的材料,如納米尺度顆粒、原子團(tuán)簇等;一維,指在空間有兩維處于納米尺度的材料,如納米絲、納米棒、納米管等;二維,指在三維空間中有一維在納米尺度的材料,如超薄膜、多層膜、超晶格等。納米科技是面向納米材料的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用并在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)特有功能和智能作用的技術(shù)問(wèn)題,發(fā)展納米尺度的探測(cè)和操縱。納米科技主要包括:納米體系物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工學(xué)、納米力學(xué)等七個(gè)相對(duì)獨(dú)立又相互滲透的學(xué)科和納米材料、納米器件、納米尺度的檢測(cè)與表征三個(gè)研究領(lǐng)域。掃描隧道顯微鏡(STM)在納米科技中占有重要的地位——它貫穿到七個(gè)分支領(lǐng)域中,以其為分析和加工手段所做的工作占一半以上。3納米材料的特性所有的納米材料都具有三個(gè)共同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):(1)納米尺度的結(jié)構(gòu)單元或特征維度尺寸在納米數(shù)量級(jí)(1-100nm);(2)有大量的界面或自由表面;(3)各納米單元之間存在著或強(qiáng)或弱的相互作用。由于這種結(jié)構(gòu)上的特殊性,使納米材料具有一些獨(dú)特的效應(yīng),也使納米材料受到各國(guó)科學(xué)家的追捧。物質(zhì)尺度到了納米量級(jí)后,由于表面電子能級(jí)(費(fèi)米面)的變化(Kubo效應(yīng))導(dǎo)致了納米材料具有許多奇特的性能,從而使其具備奇異性和反常性,能使多種多樣的材料改性,用途極為廣泛。表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、體積效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、界面相關(guān)效應(yīng),這五種效應(yīng)是納米材料的基本特性,它們使納米粒子和納米固體呈現(xiàn)出許多奇異的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì),它們是納米技術(shù)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。3.1表面效應(yīng)粒子直徑減少到納米量級(jí),表面原子數(shù)和比表面積、表面能都會(huì)迅速增加;處于表面的原子數(shù)增多,使大部分原子的周圍(晶場(chǎng))環(huán)境和結(jié)合能與塊材內(nèi)部原子有很大的不同;表面原子周圍缺少相鄰的原子,有許多懸空鍵,具有不飽和性質(zhì),易與其它原子相結(jié)合,故具有很大的化學(xué)活性。3.2量子尺寸效應(yīng)納米粒子尺寸下降到某一定值時(shí),費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)將由連續(xù)能級(jí)變?yōu)榉至⒛芗?jí)。這一效應(yīng)可使納米粒子具有高的光學(xué)非線性、特異催化性和光催化性質(zhì)等。3.3體積效應(yīng)當(dāng)納米粒子的尺寸變小時(shí),周期邊界條件將被破壞,使得物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化,甚至是發(fā)生突變。如果顆粒尺寸與傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)相當(dāng)或更小時(shí),金屬微粒均失去原有的光澤而呈黑色(光的吸收特性變化);磁性超微顆粒在尺寸小到一定范圍時(shí),會(huì)失去鐵磁性,而表現(xiàn)出順磁性或超順磁;非鐵磁性也可轉(zhuǎn)化為鐵磁性;鐵電態(tài)變?yōu)轫橂姂B(tài)、超導(dǎo)相向正常相轉(zhuǎn)變等。3.4宏觀量子隧道效應(yīng)微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。近來(lái)年,人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量,例如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量以及電荷等亦具有隧道效應(yīng),它們能夠穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化。庫(kù)侖堵塞效應(yīng)——只能單電子傳輸,電荷宇稱效應(yīng)——電荷數(shù)奇偶性。3.5界面相關(guān)效應(yīng)由于納米結(jié)構(gòu)材料中有大量的界面,與塊材相比,納米結(jié)構(gòu)材料具有反常高的擴(kuò)散率,它對(duì)蠕變、超塑性等力學(xué)性能有顯著影響;能夠在較低的溫度對(duì)材料進(jìn)行有效的摻雜,并可使不混溶金屬形成新的合金相;出現(xiàn)超強(qiáng)度、超硬度、超塑性等。4納米材料的研究現(xiàn)狀及其應(yīng)用當(dāng)前,納米陶瓷、納米碳材料、納米高分子材料、納米復(fù)合材料、微乳液、納米纖維、納米磁性材料、納米儲(chǔ)鋰材料、納米吸波材料等新型材料已經(jīng)嶄露頭角,有的已經(jīng)應(yīng)用在實(shí)際產(chǎn)品中。IDF上,英特爾帶來(lái)了全球第一塊22納米工藝的芯片。美國(guó)科學(xué)家開發(fā)出一種簡(jiǎn)單、可行的碳納米管混合物的凈化方式,能夠借助紫外線和空氣中的氧生成凈化的半導(dǎo)體納米管,對(duì)發(fā)展下一代計(jì)算機(jī)芯片具有非凡價(jià)值。7月13日一個(gè)中德小組在期刊《自然·納米技術(shù)》網(wǎng)絡(luò)版上報(bào)告說(shuō),她們經(jīng)過(guò)研究首次證明把鈷元素?fù)饺胗裳趸\制成的納米導(dǎo)線,能使納米導(dǎo)線具有內(nèi)稟磁性,這一成果對(duì)研制運(yùn)算速度快且能耗低的新型磁性半導(dǎo)體材料具有重要意義。9月27日的《NatureNanotechnology》報(bào)道,辛辛那提大學(xué)的生物工程研究人員使用一種RNA動(dòng)力納米馬達(dá),成功地開發(fā)出了一種能夠使單鏈和雙鏈的DNA經(jīng)過(guò)的人造微孔。4.1納米陶瓷納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑之一,納米陶瓷具有類似于金屬的超塑性是納米材料研究中令人注目的焦點(diǎn)。4.2碳納米管1991年1月,日本筑波NEC實(shí)驗(yàn)室的飯島澄男首次用高分辨分析電鏡觀察到碳納米管。納米碳管的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一,卻具有超過(guò)鋼100倍的強(qiáng)度。不但具有良好的導(dǎo)電性能,還是當(dāng)前最好的導(dǎo)熱材料。納米碳管優(yōu)異的導(dǎo)熱性能將使它成為今后計(jì)算機(jī)芯片的熱沉,也可用于發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭等的各種高溫部件的防護(hù)材料。研究表明,碳納米管當(dāng)中的空腔不但能夠充當(dāng)微型試管、模具或模板,而且將第二種物質(zhì)封存在這個(gè)約束空間還會(huì)誘導(dǎo)其具備在宏觀材料中看不到的結(jié)構(gòu)和行為。4.3納米纖維在化纖紡絲過(guò)程中加入少量的納米材料,可生產(chǎn)出具有特殊功能的新型紡織材料,如:抗紫外線纖維、抗菌除臭纖維、抗靜電防電磁波纖維、隱身紡織材料、強(qiáng)耐磨紡織材料、遠(yuǎn)紅外線反射功能化纖、抗紅外型化纖、導(dǎo)電型化纖和其它功能纖維。4.4納米磁性材料磁性材料一直是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防工業(yè)的重要支柱與基礎(chǔ)。納米磁性材料是指材料尺寸限度在納米級(jí),一般在1～100nm的準(zhǔn)零維超細(xì)微粉、一維超薄膜或二維超細(xì)纖維(絲)或由它們組成的固態(tài)或液態(tài)磁性材料。納米磁性材料的特殊磁性能主要有:量子尺寸效應(yīng)、超順磁性、宏觀量子隧道效應(yīng)、磁有序顆粒的小尺寸效應(yīng)、特異的表觀磁性等。納米磁性材料根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征能夠分為納米顆粒型、納米微晶型和磁微電子結(jié)構(gòu)材料三大類。4.4.1磁存儲(chǔ)介質(zhì)材料以超微粒作記錄單元,可使記錄密度大大提高。納米磁性微粒由于尺寸小,具有單磁疇結(jié)構(gòu),矯頑力很高的特性,用它制作磁記錄材料能夠提高信噪比,改進(jìn)圖像質(zhì)量。4.4.2納米磁記錄介質(zhì)今后進(jìn)一步提高密度要向”量子磁盤”化發(fā)展,利用磁納米線的存儲(chǔ)特性,記錄密度達(dá)400Gbit/in2,相當(dāng)于每平方英寸可存儲(chǔ)20萬(wàn)部紅樓夢(mèng)小說(shuō),如合金磁粉的尺寸在80nm,鋇鐵氧體磁粉的尺寸在40nm。4.4.3磁性液體由超順磁性的納米微粒包覆了表面活性劑,然后彌漫在基液中而構(gòu)成。利用磁性液體能夠被磁場(chǎng)控制的特性,用環(huán)狀永磁體在旋轉(zhuǎn)軸密封部件產(chǎn)生一環(huán)狀的磁場(chǎng)分布,從而可將磁性液體約束在磁場(chǎng)之中而形成磁性液體的”O(jiān)”形環(huán),且沒(méi)有磨損,能夠做到長(zhǎng)壽命的動(dòng)態(tài)密封。這也是磁性液體較早、較廣泛的應(yīng)用之一。另外,在電子計(jì)算機(jī)中為防止塵埃進(jìn)入硬盤中損壞磁頭與磁盤,在轉(zhuǎn)軸處也已普遍采用磁性液體的防塵密封。磁性液體還有其它許多用途,如儀器儀表中的阻尼器、無(wú)聲快速的磁印刷、磁性液體發(fā)電機(jī)、醫(yī)療中的造影劑等等。4.4.4納米磁性藥物磁性治療技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究領(lǐng)域在拓寬,如治療癌癥,用納米的金屬性磁粉液體注射進(jìn)人體病變的部位,并用磁體固定在病灶的細(xì)胞附近,再用微波輻射金屬加熱法升到一定的溫度,能有效地殺死癌細(xì)胞。另外還能夠用磁粉包裹藥物,用磁體固定在病灶附近,這樣能加強(qiáng)藥物治療作用。4.4.5納米微晶稀土永磁材料稀土釹鐵硼磁體的發(fā)展突飛猛進(jìn),磁體磁性能也在不斷提高,當(dāng)前燒結(jié)釹鐵硼磁體的磁能積達(dá)到50MGOe,接近理論值64MGOe,并已進(jìn)入規(guī)模生產(chǎn)。為進(jìn)一步改進(jìn)磁性能,當(dāng)前已經(jīng)用速凝薄片合金的生產(chǎn)工藝,一般的快淬磁粉晶粒尺寸為20-50nm,如作為粘結(jié)釹鐵硼永磁原材料的快淬磁粉。為克服釹鐵硼磁體低的居里溫度、易氧化和比鐵氧體高的成本價(jià)格等缺點(diǎn),當(dāng)前正在探索新型的稀土永磁材料,如釤鐵氮、釹鐵氮等化合物。另一方面,開發(fā)研制復(fù)合稀土永磁材料,將軟磁相與永磁相在納米尺寸內(nèi)進(jìn)行復(fù)合,就可獲得高飽和磁化強(qiáng)度和高矯頑力的新型永磁材料。4.4.6納米微晶稀土軟磁材料在1988年,首先發(fā)現(xiàn)在鐵基非晶的基體中加入少量的銅和稀土,經(jīng)適當(dāng)溫度晶化退火后,獲得一種性能優(yōu)異的具有超細(xì)晶粒(直徑約10nm)軟磁合金,后被稱為納米晶軟磁合金。納米晶磁性材料可開發(fā)成各種各樣的磁性器,應(yīng)用于電力電子技術(shù)領(lǐng)域,用作電流互感器、開關(guān)電源變壓器、濾波器、漏電保護(hù)器、互感器及傳感器等,可取得令人滿意的經(jīng)濟(jì)效益。4.4.7巨磁電阻材料將納米晶的金屬軟磁顆粒彌散鑲嵌在高電阻非磁性材料中,構(gòu)成兩相組織的納米顆粒薄膜,這種薄膜最大特點(diǎn)是電阻率高,稱為巨磁電阻效應(yīng)材料,能夠在100MHz以上的超高頻段顯示出優(yōu)良的軟磁特性。由于巨磁電阻效應(yīng)大,可便器件小型化、廉價(jià),可作成各種傳感器件,例如,測(cè)量位移、角度,數(shù)控機(jī)床、汽車測(cè)速,旋轉(zhuǎn)編碼器,微弱磁場(chǎng)探測(cè)器等。4.4.8磁性薄膜變壓器個(gè)人電腦和手機(jī)的小型化,必須采用高頻開關(guān)電源,而且工作頻率越來(lái)越高,逐步提高到1～2MHz或更高。要想使高頻開關(guān)電源進(jìn)一步向輕薄小方向發(fā)展,立體的三維結(jié)構(gòu)鐵芯已經(jīng)不能滿足要求,只有向低維的平面結(jié)構(gòu)發(fā)展,才能使高度更薄、長(zhǎng)度更短、體積更小。對(duì)于10～25W小功率開關(guān)電源,將采用印刷鐵芯和磁性薄膜鐵芯。幾個(gè)微米厚的磁性薄膜,基本上不成形三維立體結(jié)構(gòu),而是二維平面結(jié)構(gòu),其物理特性也與原來(lái)的立體結(jié)構(gòu)不同,能夠獲得前所未有的高性能和綜合性能。4.4.9磁光存儲(chǔ)器當(dāng)前只讀和一次刻錄式的光盤已經(jīng)廣泛應(yīng)用,可是可重復(fù)寫、擦的光盤還沒(méi)有產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。最具有發(fā)展前途的是磁性材料介質(zhì)的磁光存儲(chǔ)器,其能夠像磁盤一樣重復(fù)多次地重復(fù)記錄。當(dāng)前大量使用的軟磁盤,由于材料介質(zhì)和記錄磁頭的局限性,其存儲(chǔ)密度已經(jīng)達(dá)到極限。另外其已經(jīng)不能滿足信息技術(shù)的發(fā)展要求,無(wú)法在一張盤上存儲(chǔ)更多的圖象和數(shù)據(jù)。采用磁光盤存儲(chǔ),就能在一張盤上記錄數(shù)千兆字節(jié)到數(shù)十千兆字節(jié)的容量,而且能重復(fù)地擦寫使用。4.5納米儲(chǔ)氫材料鋰電池是選用所有金屬元素中最輕的鋰作電極,因此它的能量密度很高。但從20世紀(jì)80年代以來(lái)的工作發(fā)現(xiàn),由于鋰金屬十分活潑,安全問(wèn)題不能解決。鋰離子電池體系則很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。它是1990年日本索尼公司首先開發(fā)的,其核心技術(shù)即是以鋰的嵌入化合物代替了金屬鋰,用適當(dāng)降低容量的代價(jià)解決了安全性和循環(huán)壽命方面的問(wèn)題?，F(xiàn)在的納米儲(chǔ)氫材料已經(jīng)有納米氧化錫儲(chǔ)氫材料、納米硅負(fù)極材料、納米孔碳微球負(fù)極材料、納米錫銻合金／HCS復(fù)合材料等,它們已經(jīng)在鋰離子電池上顯示出容量高和循環(huán)性好的特點(diǎn)。4.6納米吸波材料納米吸波材料對(duì)電磁波能量的吸收主要取決于三種效應(yīng):(1)由晶格電場(chǎng)熱運(yùn)動(dòng)引起的電子散射;(2)由雜質(zhì)和晶格缺陷引起的電子散射;(3)電子與電子間的相互作用。一方面,由于納米微粒尺寸為1nm-100nm,遠(yuǎn)小于雷達(dá)發(fā)射的電磁波波長(zhǎng),因此納米材料對(duì)這種波的透過(guò)率比常規(guī)材料強(qiáng)得多,大大減小了波的反射率,使得雷達(dá)接收到的反射信號(hào)變得很微弱,從而達(dá)到隱身的目的;另一方面,納米微粒材料的比表面積比常規(guī)微粒大3至4個(gè)數(shù)量級(jí),對(duì)電磁波和紅外光波的吸收率比常規(guī)材料大得多。被探測(cè)物發(fā)射的紅外光和雷達(dá)發(fā)射的電磁波被納米粒子吸收,使得紅外探測(cè)器和雷達(dá)很難探測(cè)到被探測(cè)目標(biāo)。另外,隨著顆粒的細(xì)化,在一定尺寸時(shí),由于顆粒的表面效應(yīng),納米顆粒費(fèi)米面附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí),而且納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)的分子軌道和最低未被占據(jù)的軌道能級(jí),使得能隙變寬。同時(shí),量子尺寸效應(yīng)使納米粒子的電子能級(jí)發(fā)生分裂,其間隔正處于微波能量范圍(10-2-10-55納米材料研究展望正因?yàn)榧{米材料具有與傳統(tǒng)塊材不同的結(jié)構(gòu)、不同的特性與效應(yīng),使得納米材料自上世紀(jì)80年代以來(lái),持續(xù)引發(fā)了各國(guó)科學(xué)家的巨大熱情。雖然當(dāng)前發(fā)展納米科技存在科學(xué)理論、科學(xué)方法、科技創(chuàng)新和高風(fēng)險(xiǎn)等難點(diǎn),可是納米材料新奇的特性可能引發(fā)新一輪的技術(shù)革命,可能是21世紀(jì)人類文明繼續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。(1)納米組裝體系藍(lán)綠光的研究出現(xiàn)新的苗頭。日本Nippon鋼鐵公司閃電化學(xué)陽(yáng)極腐蝕方法獲得6H多孔碳化硅,發(fā)現(xiàn)了藍(lán)綠光發(fā)光強(qiáng)度比6H碳化硅晶體高100倍:多孔硅在制備過(guò)程中經(jīng)紫外輻照或氧化也發(fā)藍(lán)綠光;含有Dy和Al的SiO2氣凝膠在390nm波長(zhǎng)光激發(fā)下發(fā)射極強(qiáng)的藍(lán)綠光,比多孔Si的最強(qiáng)紅光還高出1倍多,250nm波長(zhǎng)光激發(fā)出極強(qiáng)的藍(lán)光。(2)巨電導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)。美國(guó)霍普金斯大學(xué)的科學(xué)家在SiO2一Au的顆粒膜上觀察到極強(qiáng)的高電導(dǎo)現(xiàn)象,當(dāng)金顆粒的體積百分比達(dá)到某臨界值時(shí),電導(dǎo)增加了14個(gè)數(shù)量級(jí);納米氧化鎂銦薄膜經(jīng)氫離子注入后,電導(dǎo)增加8個(gè)數(shù)量級(jí)。(3)顆粒膜巨磁電阻尚有潛力。1992年,納米顆粒膜巨磁電阻發(fā)現(xiàn)以來(lái),一直引起人們的關(guān)注,當(dāng)前這一領(lǐng)域研究追求的目標(biāo)是提高工作溫度,降低磁場(chǎng)。如果在室溫和零點(diǎn)幾特斯拉磁場(chǎng)下,顆粒膜巨磁阻能達(dá)到10％,那么就將接近實(shí)用的使用目標(biāo)。當(dāng)前國(guó)際上科學(xué)家們正在這一領(lǐng)域努力。(4)納米組裝體系設(shè)計(jì)和制造有新進(jìn)展。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)化學(xué)工程系成功地把納米Au顆粒組裝到DM的分子上形成納米晶分子組裝體系;美國(guó)利用自組裝技術(shù)將幾百支單壁納米碳管組成晶體索"Ropes",這種索具有金屬特性,室溫下電阻率小于10－4W／cm;將納米三碘化鉛組裝到尼龍上,在X射線照射下具有強(qiáng)的光電導(dǎo)性能,利用這種性能為發(fā)展數(shù)字射線照相奠定了基礎(chǔ)。6軟物質(zhì)的概念20世紀(jì)的物理學(xué)家致力于研究硬物質(zhì),像金屬、半導(dǎo)體,以及陶瓷等非晶材料,掌握這些材料使大規(guī)模集成電路技術(shù)成為可能,并開創(chuàng)了人類社會(huì)的信息時(shí)代。時(shí)至21世紀(jì),指數(shù)式生長(zhǎng)的生物科學(xué)與技術(shù)成為劃時(shí)代的科技發(fā)展方向,形成生物體的構(gòu)成材料,已不是上述的無(wú)機(jī)固體,而是由有機(jī)大分子按照基因?qū)懗傻某绦虬醋越M裝方式組成的軟物質(zhì)。物理學(xué)家已把20世紀(jì)以前分散于化學(xué)化工、醫(yī)學(xué)、食品、生物材料研究對(duì)象——液晶、聚合物、膠體、生物膜、泡沫、生物大分子及顆粒物質(zhì)重新組合為逐漸統(tǒng)一的研究領(lǐng)域,稱為軟凝聚態(tài)物質(zhì),它包括了處于固體和理想流體之間的一切物質(zhì)。這類物質(zhì)在自然界、生命體系、日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中廣泛存在,也被人類研究使用許多世紀(jì)。但由于其復(fù)雜性,這類物質(zhì)的奇異特性和一般運(yùn)動(dòng)規(guī)律尚未得到很好的認(rèn)識(shí)。因此,當(dāng)物理學(xué)家在20世紀(jì)80年代末開始將軟物質(zhì)作為一類普遍物質(zhì)形態(tài)進(jìn)行研究時(shí),曾用”復(fù)雜流體”來(lái)概括這類物質(zhì)?，F(xiàn)在被正確的”軟物質(zhì)”名稱所代替要?dú)w功于諾貝爾物理獎(jiǎng)得主P.G.DeGennes,她在其諾貝爾獲獎(jiǎng)演講時(shí)就以”軟物質(zhì)”為題。P.G.DeGennes的演講最終將”復(fù)雜流體”歸為”軟物質(zhì)”,實(shí)際上這兩個(gè)名稱所涉及的對(duì)象是同一類凝聚態(tài)物質(zhì)。7軟物質(zhì)研究的現(xiàn)狀7.1如何建立描述軟物質(zhì)復(fù)雜體系及其運(yùn)動(dòng)的模型在物理學(xué)發(fā)展中,往往以簡(jiǎn)化模型對(duì)物質(zhì)進(jìn)行描述:例如,對(duì)于氣體由理想氣體模型,經(jīng)過(guò)位力展開進(jìn)而描述真實(shí)氣體;對(duì)固體則以晶體原子或分子的周期性排列作為基礎(chǔ)。盡管描述液體的理論尚未完善建立,采用原子和分子相互作用及無(wú)序分布的模型,也可對(duì)液體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有較深入的認(rèn)識(shí)。軟物質(zhì)與以原子和小分子組成的氣、液、固體相比,有很大的差別.軟物質(zhì)組成復(fù)雜,組成單元可跨越很大尺度(從微觀、介觀到宏觀),形態(tài)多樣,組成單元的相互作用弱,漲落支配其運(yùn)動(dòng),而且常常處于非平衡態(tài),屬于慢動(dòng)力學(xué)體系。軟物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)不能簡(jiǎn)單地歸結(jié)為原子和小分子的作用。對(duì)于有些軟物質(zhì)體系,如液晶、聚合物已作了相當(dāng)多的物理研究,這些體系的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律現(xiàn)已有較為成熟的理論。在這些研究中一般均采用粗?；Ｐ吞幚?不考慮復(fù)雜結(jié)構(gòu)單元中的細(xì)節(jié)。但總體來(lái)講,對(duì)軟物質(zhì)中的相互作用、非平衡態(tài)及慢動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)還很不清楚,從物理學(xué)的觀點(diǎn)開展軟物質(zhì)研究時(shí)間不長(zhǎng),建立描述軟物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論仍有待時(shí)日。20多年前L.Kadanoff曾經(jīng)說(shuō)過(guò):”物理學(xué)家開始認(rèn)識(shí)到復(fù)雜體系可能有自己的規(guī)律,這些規(guī)律或許就像自然界任何其它規(guī)律一樣簡(jiǎn)單,一樣基本,一樣漂亮”。物理學(xué)家們正面對(duì)認(rèn)識(shí)軟物質(zhì)這種復(fù)雜體系運(yùn)動(dòng)規(guī)律的挑戰(zhàn)。7.2自組織(裝)的起源:熵力、排空效應(yīng)軟物質(zhì)中普遍存在自組織是與硬物質(zhì)不同的重要特征。自然界物質(zhì)形成,特別是生命的形成和發(fā)展以及某些材料制備,常常經(jīng)過(guò)自組織來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此,認(rèn)識(shí)自組織的起源是研究軟物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的重要課題。當(dāng)前的基本認(rèn)識(shí)是,熵力、排空效應(yīng)是導(dǎo)致自組織形成的主導(dǎo)因素。自然界自發(fā)產(chǎn)生的自組織(裝)現(xiàn)象隨處可見(jiàn),人們也可利用自組織(裝)制備特殊結(jié)構(gòu)材料。因此,我們必須了解自組織(裝)起源的原理和規(guī)律。7.3體積分?jǐn)?shù)效應(yīng)和堵塞引起的相變軟物質(zhì)體系中組成單元的體積分?jǐn)?shù)較高時(shí),體積分?jǐn)?shù)對(duì)軟物質(zhì)的行為有至關(guān)重要的影響。1968年Hoover和Ree經(jīng)過(guò)對(duì)硬球體系的理論計(jì)算,得到”隨著硬球顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加,將發(fā)生從液態(tài)到固態(tài)的相變”的結(jié)果。實(shí)際問(wèn)題十分復(fù)雜。例如,玻璃是無(wú)序固體,液體也是無(wú)序態(tài),都存在原子(或分子)間的相互作用。在常溫下,玻璃不能像液體那樣流動(dòng)。當(dāng)玻璃熔化后則可流動(dòng),原因是什么?這仍是困惑物理學(xué)家的問(wèn)題。而軟物質(zhì)體系,如顆粒物質(zhì)、膠體和聚合物等,也存在體積分?jǐn)?shù)效應(yīng)。在日常生活中,堵塞現(xiàn)象也到處可見(jiàn),如血管堵塞、交通堵塞以及在管道輸運(yùn)中各種堵塞等。有些人提出,這是在體積分?jǐn)?shù)足夠高時(shí)發(fā)生的堵塞引起的非平衡相變。堵塞引起的相變?nèi)允且粋€(gè)開放的問(wèn)題。不同體系的”堵塞”態(tài)與流動(dòng)態(tài)的動(dòng)力學(xué)是否相同?在顆粒、聚合物、膠體或泡沫等體系中經(jīng)過(guò)外加切變力,是否與在玻璃體系增高溫度等效?是否可用一個(gè)等效溫度來(lái)表述軟物質(zhì)體系堵塞引起的相變?多尺度和不同形狀結(jié)構(gòu)單元組成的體系如何描述?這些問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究。7.4界面作用、尺度效應(yīng)和受限效應(yīng)很多實(shí)際軟物質(zhì)體系,如膜、表面活性劑、微流體以及大量生命物質(zhì)等,均存在界面或受限于小空間,且多種尺度、多種軟物質(zhì)形態(tài)共存。體系影響因素更多,行為更為復(fù)雜,不但有軟物質(zhì)自身的運(yùn)動(dòng),還有微觀層次的物理和化學(xué)相互作用。當(dāng)前的研究工作多數(shù)只是針對(duì)具體對(duì)象進(jìn)行,或?qū)^簡(jiǎn)化的體系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算。7.5顆粒物質(zhì)運(yùn)動(dòng)行為顆粒物質(zhì)是自然界、日常生活及生產(chǎn)和技術(shù)中普遍存在的一類離散態(tài)物質(zhì)。顆粒物質(zhì)與其它軟物質(zhì)體系的主要區(qū)別是其尺寸較大,一般大于1μm,其勢(shì)能比kT大1012倍以上,因而顆粒體系中溫度作用可忽略不計(jì),即相當(dāng)于處在kT=0的狀態(tài)。顆粒體系能量會(huì)經(jīng)過(guò)與其它顆粒的摩擦和碰撞而耗散,呈現(xiàn)許多奇特的運(yùn)動(dòng)行為。當(dāng)前對(duì)顆粒物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其物理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)還很不深入,即使對(duì)靜態(tài)顆粒物質(zhì),也不能給出表述其狀態(tài)的合適方程。DeGennes認(rèn)為,這一領(lǐng)域幾乎每一件事都尚待理解。L.Kadanoff則表示,不能用普通流體力學(xué)方程描述顆粒物質(zhì),它的豐富奇特行為沒(méi)有得到很好認(rèn)識(shí)。7.6軟物質(zhì)的流變學(xué)簡(jiǎn)單流體為牛頓流體,任何切變力均可引起流動(dòng),流動(dòng)性質(zhì)用粘滯性來(lái)描述。固體的彈性形變和外加力間關(guān)系則一般見(jiàn)模量來(lái)描述。軟物質(zhì)既不同于液體,也不同于固體,一般表現(xiàn)為非牛頓流體性質(zhì),切變強(qiáng)度與切變速率有關(guān)。軟物質(zhì)常常呈現(xiàn)出新奇的流動(dòng)行為,使人們很難理解其原因。湍流減阻現(xiàn)象就是一例。在液體湍流狀態(tài),添加百萬(wàn)分之幾的聚合物就可使液體流動(dòng)阻力下降約一半,用這種方法可使消防救火時(shí)水噴射的距離大大提高。聚合物似乎發(fā)生了”線團(tuán)-伸展相變”,能阻止湍流狀態(tài)出現(xiàn)的耗散。而在聚合物流體中,分子的相互纏結(jié)強(qiáng)烈地抑制著流動(dòng),施加剪切作用可使流動(dòng)加快,即剪切變稀效應(yīng)。Edwards和DeGennes等人給出了稱之為”蛇行”運(yùn)動(dòng)概念來(lái)解釋聚合物流變?cè)?。在懸浮液發(fā)生流動(dòng)時(shí),運(yùn)動(dòng)行為更為復(fù)雜。一個(gè)懸浮顆粒的運(yùn)動(dòng)會(huì)因附近其它顆粒的存在而受到擾動(dòng),流動(dòng)行為與湍流很相似。然而,對(duì)于此種運(yùn)動(dòng)方式的理解還不如對(duì)湍流的認(rèn)識(shí)多,既提不出一個(gè)類似雷諾數(shù)的量來(lái)表述向混沌的過(guò)渡,也提不出令人信服的漸近標(biāo)度假設(shè)8軟物質(zhì)的特性軟物質(zhì)的基本特性是對(duì)外界微小作用的敏感性和非線性響應(yīng)、自組織行為、空間縮放對(duì)稱性、復(fù)雜性等。8.1對(duì)外界微小作用有很強(qiáng)的反應(yīng)是軟物質(zhì)的第一個(gè)基本特征。天然橡膠分子的200個(gè)碳原子中,只要有一個(gè)與硫原子發(fā)生作用,就會(huì)使天然橡膠汁從液體變成具有彈性的固體;一滴鹵水就能使一鍋豆?jié){凝結(jié)成豆腐;一滴骨膠能夠使墨汁長(zhǎng)期穩(wěn)定而不沉淀;一顆鈕扣電池能夠驅(qū)動(dòng)液晶手表工作幾年。軟物質(zhì)的這一由于受到外界微小的作用力而發(fā)生巨大狀態(tài)變化的特點(diǎn),猶如雕塑家用拇指輕壓就能改變黏土的外形一般。這便是DeGennes將之稱為軟物質(zhì)的原因。8.2熵彈性是軟物質(zhì)的第二個(gè)基本特征。根據(jù)熱力學(xué)理論,體系的狀態(tài)由自由能F=U-TS決定,其中U、T、S分別為內(nèi)能、溫度和熵。體系的自由能低,則狀態(tài)穩(wěn)定。在軟物質(zhì)中,內(nèi)能的變化很小,體系的變化主要由熵變引起。軟物質(zhì)三維運(yùn)動(dòng)規(guī)律和行為主要不是由量子力學(xué)和相對(duì)論的基本原理直接導(dǎo)出。從能量來(lái)講,軟物質(zhì)的”軟”與”可變”性來(lái)源于它們之間的相互作用的范德瓦爾斯力,其作用勢(shì)在室溫時(shí)可用kbT來(lái)衡量,因此結(jié)構(gòu)的熱漲落不可忽視。8.3復(fù)雜性復(fù)雜性有三層含義:(1)構(gòu)成軟物質(zhì)的基元多數(shù)是化學(xué)結(jié)構(gòu)頗為復(fù)雜的鏈狀和支狀分或分子集團(tuán),遠(yuǎn)比量子物理學(xué)處理的單原子或多原子組成的簡(jiǎn)單分子復(fù)雜;(2)這些分子本身具有不同的功能團(tuán),如兩親分子的不同部位對(duì)周圍介質(zhì)具有不同的響應(yīng);(3)由這些分子自組織或自組裝形成了各種復(fù)雜結(jié)構(gòu),如蛋白質(zhì)分子的折疊、表面活性劑分子在溶液中形成的單連通和多連通結(jié)構(gòu)、鑲嵌聚合物的奇妙結(jié)構(gòu)和膠體懸浮液中膠體顆粒聚集形成的分形結(jié)構(gòu)等等。8.4自組裝自組裝就是在一