学科前沿讲座课程1

1、学科前沿讲座中国矿业大学理学院物理10-03班10104625莫尚伟软物质的研究现状中国矿业大学莫尚伟摘要：主要讲述了软物质的定义、分类、用途、应用领域以及软物质的研 究前景。软物质物理已经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。关键词：软物质；硬物质；物理体系；熵；颗粒物质1991年，诺贝尔奖获得者、法国物理学家德热纳在诺贝尔奖授奖会上 以软物质”为演讲题目，用软物质一词概括复杂液体等一类物质，得到广 泛认可。从此软物质这个词逐步取代美国人所说的“复杂流体”，开始推动一 门跨越物理，化学，生物三大学科的交叉学科的发展。软物质如液晶、聚合物、胶体、膜、泡沫、颗粒物质

2、、生命体系等， 在自然界、生命体、日常生活和生产中广泛存在。它们与人们生活休戚相 关，如橡胶、墨水、洗涤液、饮料、乳液及药品和化妆品等等；在技术上 也有广泛应用，如液晶、聚合物等；生物体基本上由软物质组成，如细胞、 体液、蛋白、DNA等。在我们日常所说的“软”的概念里，主要的特征就是容 易形变。在软物质这个名词里也有类似的含义。对于软物质德热纳给出一个重要的特征：弱力引起大变化。在他的 科普作品软物质与硬科学一书中以橡胶为例，说明了软物质的性质。 放进一点硫，液态的橡胶树就变成了固态的橡胶；一点骨胶可以使墨汁多 年不变质；一点卤汁使豆浆变成豆腐；非常微弱的电流，就能使液晶从透 明变成不透明。这

3、些现象告诉我们：你只须施加微小的作用，软物质的形 状和性质就会大变。纯天然的橡胶乳液氧化形成了固化的橡胶，但这种橡 胶非常不结实，很容易就会因为空气的继续氧化而破碎。而将天然橡胶硫 化之后就变得非常的耐用，不容易破碎。与氧同族的硫元素仅仅比氧的化 学活性略差一点，但达到的效果却迥然不同。这就是所谓的弱力引起大变 化。德热纳在书中写到：如果你数一数与硫磺反应的碳原子数目，你会发现其只占1/200,这是一个具有代表性的数据。然而，这种及其微弱的 化学反应已经足可以引起物质的物理状态从液态变到固态：流体变成了橡 胶。这证明物质状态能够通过微弱的外来作用而改变状态，就如雕塑家轻 轻地压一压大拇指就能改

4、变粘土的形状。这便是软物质的核心和基本定义 【1io ”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。软物质的基本特性是对外界微小作用的敏感和非线性响应、自组织行为、空 间缩放对称性。物理体系的状态可以由体系的内能以及熵与温度的乘积来共同描述。 由于内能的变化与体系受力相关，那么在一定温度下，对于软物质，如果 受到的力不大，那么其内能的改变也不会大，而在这样的弱力作用下，又 要求体系发生比较大的变化，那么就一定得要求它的熵变化剧烈。也就是 说，在软物质

5、中体系的变化主要是由熵引起的，或者说熵占据了主导地位。 这样软物质就可称作是由熵操纵的物质。在熵力的作用下，软物质体系会 出现很多新奇的行为，比如原本混乱的微观体系会变得井然有序，复杂的 蛋白质分子会自行折叠成特殊的结构等等。利用这些性质，我们可以制造 许多有特殊性质的软材料，它们是硬材料难以取代的。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”，如金属，半导 体，陶瓷等等，对于技术和社会产生了巨大推动作用。21世纪被称为生命科学的世纪，然而，任何生命结构（DNA、蛋白质等等）却正是建立在软物 质的基础上。作为人类未来技术中的重要组成部分以及生命本身不可或缺 的基石，软物

6、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重视与研究。软物质与一般硬物质（如金属、陶瓷等）的运动变化规律有许多本质区别。 例如：拉伸橡皮的恢复力是熵力所致，与拉伸弹簧的恢复力明显不同；双亲分子 的界面作用与其他物质界面有很大差别；生命物质的活性不能用普通物质的运动 规律去理解等等。软物质与人们生活密切相关，在技术和生产上有广泛应用背景。 以我国目前正在研究的两种软物质体系为例：我们研究的电（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

7、部件，如减震器、离合器、制动器、机器人等。再如，我们正在 研究的颗粒物质，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。因此颗粒物 质【2】被称为一种新物质类型，成为近年活跃的研究领域。颗粒物质在自然界、日常生活及生产和技术中普遍存在。例如：自然界中的 沙石、土壤、浮冰、积雪等；日常生活中的糖、盐等；生产和技术中的煤炭、 矿石建材以及不少药品、化工品也是颗粒物质。很多离散的物质体系，例

8、如散装 货物运输、地球板块运动以及车辆的流动等也常作为颗粒性体系来处理。可以说 颗粒物质是地球上存在最多、最为人们熟悉的物质之一。我们这里所说的颗粒物 质一般是讲直径为微米级别的所组成的体系。它的运动也就是我们通常所熟知的 布朗动动了。它的运动受到温度的影响很大，所有在不同的温度下可能会表现出 许多奇特的现象。软物质包括范围广泛，这类物质均属于复杂体系，与一般固体和液体有不同 的运动规律，是多学科相关的研究领域，更是通向研究生命体系的桥梁。20世 纪的物理学开拓了对物质世界的新认识，相对论和量子力学起了支配作用。在此 基础上，研究和深入认识了“硬物质”（如金属、半导体及各种功能物质），对技 术

9、和社会产生了巨大推动作用。软物质涉及很广，有很多问题需要深入认识。我国对软物质物理的研究还 很薄弱，尤其是实验研究开展更少。21世纪物理学的主要目标之一是对复杂体 系运动规律的研究，特别是生命体系的研究。我们软物质物理实验室的主要研究 方向包括：颗粒物质及胶体的相互作用和动力学；低维软物质及其界面结构和性 质；可激系统的时空动力学行为；蛋白质折叠动力学；后基因组时代的蛋白质结 构分析方法。其中，关于蛋白质及其结构的研究是重要方向。人类基因组测序的 基本完成，标志着“后基因时代”的开始。其必然发展之一，就是“结构基因组学” 的兴起。它以基因组序列为基础进行系统的结构生物学研究，主要是关于蛋白质

10、及其结构的研究。其目的是要从分子的层次去理解生命过程，并从根本上寻找预 防、诊断和治疗一些重要疾病的途径。物理学家必须在此领域开展工作，尤其是 要加强实验研究。目前国内须注重建立和加强研究生物有关的实验条件和方法， 使我们软物质物理研究更好地进入生命科学领域。就目前国内以及国际上看来，以下几个方面研究的比较活跃，有望在近期取 得这几个方面的突破性的进展：生物聚合物物理。DNA和蛋白质单分子弹性和动力学；细胞骨架和网络 以及相关集合体的相互作用；生物聚合物溶液，胶体膜等静电效应和表面效应等。块状共聚物物理。块状共聚物的有序一有序，有序一列序相变，动力学以及结构问题，块状共聚物稀溶液以及由其组成的微泡等介观体系的物理问题。颗粒的动力学与结构。颗粒物质的流动动力学，结构，相变与自组织；各 向颗粒以及带电颗粒的相互作