生物材料-软物质的研究.doc

精品文档软物质的研究导论课 程 ：生物材料姓 名 ：夏 培学 号 ：2012208087专 业 ：材料学（无机）学 院 ：材料科学与工程学院软物质的研究导论摘要：软物质的提出与发现，为推动二十一世纪凝聚态物质的研究提供了很大的便利。文章概述了软物质的发展和作用意义，并针对软物质的三个基本特性展开陈述，对其应用进行归纳总结。以国内外发展现状为契机，认识问题，展望未来。关键词：软物质；特征与应用；发展现状1.引言软物质这一概念由法国物理学家德热纳(P.G. de Gennes)首先提出，他在1991年诺贝尔奖授奖会上以“软物质(SoftMatter)”为演讲题目1，他用“软物质”一词概括所有“软”的东西2，包括普通的流体和当时美国学者惯常称呼的“复杂流体”，从此推动了一门21世纪跨越物理、化学和生物三大学科的重要交叉学科的发展。软物质又称软凝聚态物质(Soft condensed matter)或称复杂流体(Complex fluid)，是指处于固体和理想流体之间的复杂物质，一般由大分子或基团(固、液、气)组成。软物质在纳米到微米尺度(l1000nm)范围内，通过相互作用可形成从简单的时空序到复杂生命体一系列的结构体和动力学系统。软物质的丰富物理内涵和广泛应用背景引起越来越多物理学家的兴趣，是具挑战性和迫切性的重要研究方向，已成为凝聚态物理研究的重要前沿领域3 4。我们通常对软物质的理解，直觉是指容易形变的东西。德热纳取软物质这个名词也是出于这一层通俗易懂的寓意。自然界中软物质无所不在，生命体是最显而易见的一类软物质。生物体的组成部分，如细胞、蛋白质、DNA等基本上都是软物质；日常生活和生产过程中软物质更是广泛存在，如橡胶、墨水、乳液及药品和化妆品，等等。对软物质的深入研究，将对生命科学、化学化工、医学、药物、食品、材料、环境、工程等领域及人们日常生活有广泛影响。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。它与一般硬物质(如金属、陶瓷等) 的运动变化规律有许多本质区别。人们对这一研究领域的开拓还远未达到较完善的程度，任重而道远35。 软物质的概念是从物理学视点上研究生物大分子的主要出发点之一，是连接物理学与生命科学的一条重要纽带。应用现代物理学手段，理论与实验相结合，对一些重要的生物大分子及其相互作用的研究，有助于在分子水平上揭示生物大分子结构、运动与功能的关系。物理学手段的不断发展大力促进了生命科学甚至医学研究，例如最近几年发展起来的单分子观测手段和单分子微操纵技术，已经成为了研究生物大分子的相互作用及动力学的重要方法，特别是与荧光技术的结合，使得从前一些无法直接观察到的现象得以澄清6。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，如目前正在研究的两种软物质体系：一是研究的电(磁) 流变液，可以用作机电一体控制的元件或部件， 如减震器、离合器、机器人等。另一方面是颗粒物质，日常生活中司空见惯，可涵盖各类分离态物质，如沙石、矿物、粮食及其他散态物质等。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，颗粒物质被称为一种新物质类型，成为近年活跃的研究领域57。2.软物质的特性5基于以上对软物质概念的相关应用的阐述，我们首先分析软物质的特性，主要概括为以下几个方面：1.软物质的最主要一个特性是体系对外加的小作用能产生大的响应8。物理学家热纳以橡胶为例，说明了软物质的奇异特性5。天然的橡胶在空气中易被氧化而破碎，但其经硫化处理后却能成为坚固耐用的材料。热纳指出，天然橡胶的每200个碳原子中，只有1个原子与硫发生反应。尽管化学作用如此微弱，却足以使物质的物理性质发生从液态到固态的巨大变化，胶汁变成橡胶，即证明了有些物质会因微弱的作用而改变状态，这就是软物质的奇异特性之一弱力引起强变化。凡是软物质只要提供相对微弱的作用力，它们就可以发生改变从形状到性质的改变。德热纳在他的软物质和硬科学一书中，最喜欢举的另一个例子是中国人4000多年前发明的墨汁，碳黑用水调和就可以用来写字，但是放置很久的时间后碳黑就会沉降，不能维持均匀溶解于水中，人们解决的办法是加一点胶在水中，墨汁就能稳定很多年。其中的奥秘直到30年前人们因为了解了聚合物的稳定机制才认识到墨汁能维持稳定的原因，对此作出了完满的解释，这是因为胶中的长链分子聚透明脂酸，附着在碳粒上，从而阻挡了碳粒的彼此接近，碳粒因此而不会凝集在一起了。2.软物质的第二个特点是其具有类似结晶体的有序结构，这可以在生物体、细胞、液晶、聚合物、胶体和颗粒体系中找到大量的例子。一般气体分子之间随机碰撞，相互之间没有相关性，液体分子之间只存在短程相关性，只有晶格结构的固体才有长程有序结构，而软物质虽有流体的特性，却能具晶体的结构，液晶就是最好的例子5 9 10。液晶是一种特殊的有机高分子化合物，液晶具有两个可熔温度，所以液晶材料能在一定温度或浓度的溶液中，既具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性，所以其在显示屏上具有广泛的应用价值。以自然界中无处不在的颗粒状物质为例，整体看来固态小颗粒具有流体的性质，既具备软物质的特性。沙堆模型的自组织临界现象，即倾倒沙子成倒角而堆积，达到饱和，即使在增加一颗沙子也会引发全面崩塌的效应，是一个小的作用能起大的力学响应的例子；另外，风吹沙面，不会抚平沙面，而会使沙面形成有序的沙波纹图案，说明颗粒流体还具有序结构的特性，符合软物质长程有序结构特点；颗粒体系的力结构也很复杂，力顺着力链网络分布的方向传播。因此颗粒物质内部受力是不均匀的，处于力链上的颗粒受到很强的力，而其旁边的颗粒受力可能很弱，甚至不受力。因此，处于力链上颗粒的任何局部的或微小的位置变动都可能引起颗粒体系力分布的很大变化，造成整体的坍塌。对于颗粒物质这些特性的理解，有助于我们对软物质这类开放体系的结构与动力学响应特性的认识9。3.软物质的第三个特点是有复杂的力学响应特性。从化学角度而言，软物质几乎等同于聚合物和胶体。聚合物是由多个小分子通过聚合反应制得的，具有不同的长链状结构，可分为无机聚合物和有机聚合物。了解高聚物的聚集状态对了解高聚物结构与性能关系十分重要，聚合物的聚集态结构指的是大分子链间的排列和堆砌方式，大致可分为晶态和无定形结构。结构规整或链间次价力较强的聚合物容易结晶，如高密度聚乙烯。结构不规整或链间次价力较弱的聚合物如聚氯乙烯等难以结晶，一般为无定形态，无定形聚合物在一定负荷和受力速度下，于不同温度可呈现玻璃态、高弹态和黏流态三种力学状态。不同状态表现出的性能不一样，是软物质研究应用的理论基础。胶体通常由两相或多相物质组成，这种混合物其中一相由微小粒子组成，这些粒子经常是聚合物分子，另一相可以是气相、液相或固相的连续介质。分散相粒子或液滴的直径约在1纳米至1微米之间。胶体的重要性质之一是它的自组装性，它的自组装来源于熵的驱动，这是软物质的一个基本特性，软物质可称作是由熵驱动的物质。软物质的自组装行为即是所谓的熵力作用的结果，复杂的蛋白质分子会自行折叠成特殊的结构等，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。软物质的空间与时间尺度范围跨度极大，如图1 5，在介观尺度（约1010000nm）范围内，通过相互作用可形成从简单的时空有序到复杂生命体一系列的结构体和动力学系统，它的对外界微小作用的敏感性、非线性响应、自组装行为等基本特性是硬物质所无可比拟的，呈现丰富的物理内涵。图1 软物质的空间与时间尺度范围3.软物质的应用软物质的运动规律与普遍固体、液体和气体大不相同，其组成和结构的多样性、相互作用的复杂性及其奇特的性质有着丰富的物理内涵，因此，软物质的提出引起人们极大的关注，成为凝聚态物理研究的重要前沿领域，同时有关软物质的应用也成为了热点之一。根据软物质弱影响强响应的特征，目前它们已被广泛用于液晶显示器及智能材料上。3.1 液晶与液晶显示如上述特点中阐释的性质，使其在液晶中有着较大的应用。液晶物质的力学性质像液体，具有液体的流动性；它的光学性质像晶体，具有晶体的有序性，因此被称为“液晶”。液晶的奇妙得益于其分子融有软硬截然不同的性质。根据它所含的成分不同，是单一或者多组分，而分为热致液晶与溶致液晶610。热致液晶是因温度而异出现液晶态，如液晶电视、电脑的液晶显示屏等。热致液晶按分子组织和排列宏观对称性的有序程度又可分为向列相、胆甾相、近晶相三种。溶致液晶是将某些物质溶于另一种物质时形成的液晶态。肥皂水是一种典型的溶致液晶，很多生物体的构造如大脑、神经、肌肉、血液等生命物质或生命的新陈代谢都与这种液晶有关。液晶的发现促进了信息时代科技的迅猛发展，利用液晶在电场作用下的流动不稳定性，科学家们发明了液晶显示技术。3.2 智能材料智能材料是能够感知环境变化（传感或发现的功能），通过自我判断和自我结论（思考或处理的功能），实现自我指令和自我执行（执行的功能）的新型材料，如具有形状记忆功能的镍钛合金、压电陶瓷等。它与普通功能材料的区别是具有响应性，与情报信息和仿生密切相关。由于软物质具有对外界变化作出响应的特性，所以它也可以用于智能材料的制备上。水凝胶是软物质中的一种，近年来作为智能材料的高分子水凝胶的研究和开发工作活跃。水凝胶为亲水性但不溶于水的聚合物，它可响应温度、PH值、电场或化学物质的变化而发生溶胀或收缩，从而感知周围环境的变化611。科研人员利用不同水凝胶的组合精心设计了多种形状记忆复合材料。在刺激时，这些材料可以弯曲成预先设定的各种形状，当刺激消失后，材料又恢复为原来的形状。高分子的软物质特性还可用于分子器件、调光材料、生物医学等方面。4.国内外研究现状目前国内外对软物质的研究开展很多，国际上许多研究机构均在大力开展软物质的研究，在国外的物理教科书中已经有了软物质的内容，而国内则尚未见到。根据特性，国外从八十年代开始在液晶显示器、智能材料方面大力开展研究，软物质对信息时代作出了巨大的贡献。在国外，结合高分子领域的研究，在智能仿生领域充分进行科学研究，国外好多公司通过对DNA、蛋白质，各种胶体的研究，将其充分运用在医学、航天、军工、生活等领域。国内开展研究较慢，通过文献3查阅知，中国科学院物理研究所结合已有的研究基础和凝聚态物理学的发展动向，于2001年成立了软物质物理实验室。物理研究所主要从事凝聚态物理、光物理、原子分子物理和等离子体物理等方面的研究，很多基本研究方法和实验条件适用于研究软物质，是开展软物质物理研究的良好场所。经过几年的努力，软物质物理实验室在复杂流体、生物大分子的结构和动力学等方面取得了一些进展，具体有：单分子DNA、DNA与组蛋白的相互作用、生物分子马达、解旋酶、朊病毒、蛋白质动态结构及其折叠动力学的脉冲升温-时间分辨中红外光谱研究、光合细菌外周捕光天线膜蛋白在溶液中的拓扑结构、畸变及对传能效率影响的研究等。在国外研究充分的条件下，中国市场面临激烈的竞争，问题也比较严重。研究起步慢，经费支持少都在制约着软物质在中国的发展。但是由于软物质与生物大分子的结合物性研究是世界学者们普遍看好的研究产业，所以在中国十二五或者更以后的的规划中，相信随着政策的重视、技术的引进、经费的支持，中国的研究会与世界接轨，为二十一世界民族复兴作出贡献。小结物理由20世纪的“硬物质”，如金属、半导体、陶瓷等材料的研究，进入了被称为生命科学世纪的21世纪。生命结构（DNA、蛋白质等）是建立在软物质的基础上。软物质具有弱影响强响应的特征，它可感知周围环境的变化，根据这一特性液晶显示器、智能材料相继被开发出来。软物质对信息时代作出了巨大的贡献。世纪是生命科学的世纪，从物质划代角度来看，这也是软物质的世纪。如果没有软物质，生命也不复存在。作为人类未来技术发展中的重要组成部分以及生命本身不可或缺的基石，软物质的许多未能被理解的行为和前所未有的广泛应用前景，使得软物质研究已经成为21世纪凝聚态物质研究的一个新兴前沿学科，具有极大的挑战性和迫切性，21世纪是属于软物质科学的世纪，我们在校研究生应该努力学习，接过研究的担子，承担历史的责任，为了科学研究、为了民族复兴而奋斗！参考文献1 de Gennes P G. Angew Chem Int Edit, 1992,31:842. 2 de Gennes P G. Rev Mod Phys, 1992, 64(3) :645.3 王鹏业, 李 明, 翁羽翔. 生物软物质研究的新进展J. 物理,2008,(6):441-448.4 陆坤权, 刘寄星. 软物质物理学导论M. 北京: 北京大学出版社, 2006.5 厚美瑛. 复杂而有序的软物质J. 现代物理知识,2011,23(5).137.6 康彬彬, 庞 杰