软物质科学简介

1、19911991年法国物理学家年法国物理学家 P. G. de Gennes P. G. de Gennes 在他的诺贝尔奖演在他的诺贝尔奖演说中将过去常被称为说中将过去常被称为“复杂流复杂流(Complex fluids)(Complex fluids)体体”的分的分子体系冠名子体系冠名“软物质软物质(Soft Matter)”(Soft Matter)”；软物质研究的对象包括软物质研究的对象包括: : 聚合物聚合物(Polymers)(Polymers)、液晶、液晶(Liquid (Liquid Crystals)Crystals)、表面活性剂、表面活性剂(Surfactants)(Sur

2、factants)、胶体、胶体(Colloids)(Colloids)、乳状液乳状液(Emulsions)(Emulsions)、泡沫、泡沫(Foams)(Foams)、颗粒、颗粒(Particles)(Particles)物质物质以及生物大分子等与我们日常生活及生命密切相关的物以及生物大分子等与我们日常生活及生命密切相关的物质质分子体系；分子体系；最有代表性的物质最有代表性的物质: :高分子、胶体、液晶、生物大分子或与高分子、胶体、液晶、生物大分子或与之相关的物质。之相关的物质。 1） 基本概念：基本概念：P. G. De Gennes,1991年诺贝尔物理奖，把年诺贝尔物理奖，把研究简单系

3、统有序现研究简单系统有序现象的方法，应用到更象的方法，应用到更为复杂物质、液晶和为复杂物质、液晶和聚合体作出贡献。聚合体作出贡献。 2) 软软(Soft) 硬硬(Hard)软物质的两个本质特征：软物质的两个本质特征：非常弱的外界作用具有非常强的响应非常弱的外界作用具有非常强的响应(Molecular systems give a strong response to a very weak command signal)；非常小量的添加剂能够戏剧性地改变体系性质。非常小量的添加剂能够戏剧性地改变体系性质。 软与硬的根本区别：软与硬的根本区别： 软物质以软物质以“软软”及及“非周期性非周期性”或

4、以或以“高对称性高对称性”(Infinite (Infinite symmetry)symmetry)以别于一般的硬物质以别于一般的硬物质: :软物质的性质及组成一般都是跨越多个空间及时间尺度软物质的性质及组成一般都是跨越多个空间及时间尺度; ;1.1. 对临界现象对临界现象(Critical phenomena)(Critical phenomena)的研究导致了标度的研究导致了标度(Scaling)(Scaling)和普适性和普适性(Universality)(Universality)的出现，进而开展了重整的出现，进而开展了重整规划群理论（规划群理论（Renormalization gr

5、oup theoryRenormalization group theory）；）； 3 3. . 对称破缺对称破缺(Broken Symmetry)(Broken Symmetry)、有序参数、有序参数(Order (Order Parameter)Parameter)及分形及分形(Fractal)(Fractal)的概念也从这一学科的概念也从这一学科萌芽扩张，甚至于进入到其他学科；萌芽扩张，甚至于进入到其他学科；4. 4. 散射及反空间（散射及反空间（Reciprocal spaceReciprocal space）的研究成了研）的研究成了研究软物质中究软物质中“Correlated st

6、ructure”(Correlated structure”(关联结构关联结构) )的必要手段之一。的必要手段之一。而中子而中子(Neutron)(Neutron)及同步辐射及同步辐射x-x-ray (ray (Synchrotron x-ray)的发展帮助了这一学科的发展帮助了这一学科在实验表征上的进展。在实验表征上的进展。5. 5. 决定体系稳定性的自由能决定体系稳定性的自由能( (F)F)的焓一般较小，而的焓一般较小，而熵又较大，因此熵又较大，因此熵更见重要性熵更见重要性，进而显示出涨落，进而显示出涨落(Fluctuation)(Fluctuation)的重要性，也使得体系的非平衡态的重

7、要性，也使得体系的非平衡态问题问题, , 及非线性问题成为重要的难题。及非线性问题成为重要的难题。粗略的讲，软物质主要包括了两个方面：粗略的讲，软物质主要包括了两个方面：复杂性、易变性复杂性、易变性。 软物质的易变性指的是，软物质的抵抗力比较弱，软物质的易变性指的是，软物质的抵抗力比较弱，变化通常也是非线性的，但系统变化的方向和大小还是变化通常也是非线性的，但系统变化的方向和大小还是可以知道的。可以知道的。 纯天然的橡胶乳液氧化形成了固化的橡胶，但这种橡胶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。而将非常不结实，很容易就会因为空气的继续氧化

8、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。迥然不同。 硬物质：大应力产生小形变硬物质：大应力产生小形变软物质：小应力产生大形变软物质：小应力产生大形变三、软物质在社会中广泛存在：三、软物质在社会中广泛存在：早在早在1861年，年，Graham研究了研究了溶液中研究了研究了溶液中溶质的渗透行为溶质的渗透行为，发现有些溶质是发现有些溶质是不能通过半透膜不能通过半透膜，这些物质被称为，这些物质被称为胶体胶体。胶体。

9、胶体尺寸较大，尺寸较大，1-100 nm。1866年，年，Berthelot合成了第一个人造高分子合成了第一个人造高分子聚苯乙烯聚苯乙烯，现，现在已经被广泛在已经被广泛应用应用在塑料、薄膜的合成生产中。在塑料、薄膜的合成生产中。1931年，年，Carothers做出了第一个做出了第一个尼龙聚合物尼龙聚合物。软物质如液晶、聚合物、胶体、膜、泡沫、颗粒物质、生命体软物质如液晶、聚合物、胶体、膜、泡沫、颗粒物质、生命体系等，在自然界、生命体、日常生活和生产中广泛存在。系等，在自然界、生命体、日常生活和生产中广泛存在。下面以具体的实例进行说明：下面以具体的实例进行说明： 引起分子排列长程有序的主要原因

10、是引起分子排列长程有序的主要原因是溶质与溶剂分子之间的相互作用溶质与溶剂分子之间的相互作用 由单一化合物或由少数化合物的均匀混合由单一化合物或由少数化合物的均匀混合物形成的液晶。通常在一定温度范围内才物形成的液晶。通常在一定温度范围内才显现液晶相的物质。按照棒形分子排列方显现液晶相的物质。按照棒形分子排列方式把热致晶体分为三种：向列相液晶，近式把热致晶体分为三种：向列相液晶，近晶相液晶，胆甾相液晶。晶相液晶，胆甾相液晶。 按用途一般将通用高分子材料分为五类，即按用途一般将通用高分子材料分为五类，即塑料、橡胶、纤维、塑料、橡胶、纤维、涂料和黏合剂涂料和黏合剂。 日常生活用品、衣服质料、装饰用品等

11、都用广泛应用。日常生活用品、衣服质料、装饰用品等都用广泛应用。 An interesting story:An interesting story:大约在大约在25002500年前在亚马孙河流域的印第安人常把巴西三叶胶树汁涂抹在脚上年前在亚马孙河流域的印第安人常把巴西三叶胶树汁涂抹在脚上 ，约，约2020分钟后，这种奇怪的液体就分钟后，这种奇怪的液体就 可以在印第安人的脚上凝成了一双靴子可以在印第安人的脚上凝成了一双靴子 但不久这但不久这种橡胶靴又会破碎成碎片种橡胶靴又会破碎成碎片 原来橡胶在化学上属原来橡胶在化学上属 于软物质含有大量的链状高分于软物质含有大量的链状高分 子，子，这些高分子本

12、来是相互独立流动的，但暴露在空气中，橡胶中的碳原子与氧会发生这些高分子本来是相互独立流动的，但暴露在空气中，橡胶中的碳原子与氧会发生反应，就会戏剧性地改变橡胶的彤态，便之凝固起来随着时间的推移，更多的碳反应，就会戏剧性地改变橡胶的彤态，便之凝固起来随着时间的推移，更多的碳原子与氧继续发生反应。橡胶的形态又会被戏剧性地改变而破碎。原子与氧继续发生反应。橡胶的形态又会被戏剧性地改变而破碎。3. 当水变成软物质当水变成软物质当水中添加一点溶于水的高分子长链物质当水中添加一点溶于水的高分子长链物质(哪怕只有哪怕只有0.001)，水就会变成软物质，它虽然看起来还是清澈透明的，但是其水就会变成软物质，它虽

13、然看起来还是清澈透明的，但是其性质却变得让人吃惊。性质却变得让人吃惊。What will happen?1 mL 普通水倒在地上，她会马上四散溅开，但是软物质水反普通水倒在地上，她会马上四散溅开，但是软物质水反而会变扁、弹起，像一团柔软的橡皮一样。石油开采时，一而会变扁、弹起，像一团柔软的橡皮一样。石油开采时，一般采用这种添加了高分子的水冲击油矿，抱成一团的软物质般采用这种添加了高分子的水冲击油矿，抱成一团的软物质水就会水就会把石油从油矿中赶出来把石油从油矿中赶出来。消防水中经常添加少量聚乙烯氧化物，可消防水中经常添加少量聚乙烯氧化物，可使消防车龙头喷使消防车龙头喷出的水的高度提高一倍以上出的

14、水的高度提高一倍以上。u 在墨汁中加一点阿拉伯胶就能使墨汁稳定存在很长时间在墨汁中加一点阿拉伯胶就能使墨汁稳定存在很长时间u 一点卤水就能使豆浆变成豆腐。一点卤水就能使豆浆变成豆腐。u 表面活性剂达到一定浓度后，可以自聚集形成多种聚集体，表面活性剂达到一定浓度后，可以自聚集形成多种聚集体，用于洗涤、乳化、起泡、消泡等。如，日常用的洗衣粉、香波用于洗涤、乳化、起泡、消泡等。如，日常用的洗衣粉、香波等。等。4. 胶体体系也是一种很好的软物质：胶体体系也是一种很好的软物质：三种类型：W/O, O/W, BC在在日用化工、三次采油、农药日用化工、三次采油、农药等有重要应用。等有重要应用。泡沫特点：泡沫

15、特点：原液一旦喷出，体积扩大原液一旦喷出，体积扩大约约100100倍，泡沫倍，泡沫“无孔不无孔不入入” ，塌缩后成液体，水，塌缩后成液体，水冲消除。冲消除。灭菌、去除灭菌、去除污染；霜降前的污染；霜降前的“泡沫泡沫装装”；防止煤矿地下火灾；防止煤矿地下火灾；防暴等。防暴等。7. “超市里的隐形管家超市里的隐形管家”传感泡沫传感泡沫 研究者最近开发除了一种新颖的研究者最近开发除了一种新颖的传感泡沫传感泡沫，他们是由，他们是由柔韧的柔韧的聚烯烃聚烯烃薄片制成，每隔四分之一毫米即有一个空气薄片制成，每隔四分之一毫米即有一个空气间隙，所以这种材料非常轻便且富有弹性。当然，这些泡间隙，所以这种材料非常轻

16、便且富有弹性。当然，这些泡沫和那些普通的包装垫料是不一样的。在其体内，含有金沫和那些普通的包装垫料是不一样的。在其体内，含有金属物质，因此可称之为属物质，因此可称之为“电子传导条电子传导条”。当一件物品置于。当一件物品置于泡沫之上，它就被轻微压紧了一点，于是电子传导条会发泡沫之上，它就被轻微压紧了一点，于是电子传导条会发生改变。当货架上物品重量达到一定限值是，它就会发出生改变。当货架上物品重量达到一定限值是，它就会发出提示，告知管理员货架该上新产品了。提示，告知管理员货架该上新产品了。每个泡沫传感器可每个泡沫传感器可以感知每平方米至少以感知每平方米至少10克的变化，克的变化，这对于监视超市的货

17、架这对于监视超市的货架变化情况已经足够了。变化情况已经足够了。8. 软物质造就了生命体软物质造就了生命体 我们的身体就是由细胞、体液、蛋白质和我们的身体就是由细胞、体液、蛋白质和DNA等组成。等组成。细胞膜细胞膜是软物质，是软物质，体液体液属于胶体也是属于胶体也是软物质而软物质而蛋白质和蛋白质和DNA是长链大分子，也是软是长链大分子，也是软物质。物质。细胞细胞细胞膜细胞膜蛋白质蛋白质 由于历史的原因错过了由于历史的原因错过了7070年代到年代到9090年代的软物质年代的软物质科学快速发展时期，也错过了科学快速发展时期，也错过了7070年代末到年代末到9090年代年代的高分子物理的的高分子物理的“文艺复兴文艺复兴”阶段阶段; ; 传统的化学支持下维持住了一部分的高分子、胶传统的化学支持下维持住了一部分的高分子、胶体、界面、液晶及生物科学的研究，但是在软物体、界面、液晶及生物科学的研究，但是在软物质的理论、物理、化学及实验上却显得很薄弱。质的理论、物理、化学及实验上却显得很薄弱。因此，要能在下一步的材料和应用上有所创新也因此，要能在下一步的材料和应用上有所创新也显得无力。显得无力。四、四、 软物质研究的遗憾：软物质研究的遗憾：五、五、 授课目的：授课目的：1. 获取新的前沿的系统的知识；获取