软物质科学简介

神奇的软物质与人类社会一、软物质科学简介1991年法国物理学家P.G.deGennes在他的诺贝尔奖演说中将过去常被称为“复杂流(Complexfluids)体”的分子体系冠名“软物质(SoftMatter)”；软物质研究的对象包括:聚合物(Polymers)、液晶(LiquidCrystals)、表面活性剂(Surfactants)、胶体(Colloids)、乳状液(Emulsions)、泡沫(Foams)、颗粒(Particles)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质—分子体系；最有代表性的物质:高分子、胶体、液晶、生物大分子或与之相关的物质。1）基本概念：P.G.DeGennes,1991年诺贝尔物理奖，把研究简单系统有序现象的方法，应用到更为复杂物质、液晶和聚合体作出贡献。2)软(Soft)↔硬(Hard)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(Molecularsystemsgiveastrongresponsetoaveryweakcommandsignal)；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：

软物质以“软”及“非周期性”或以“高对称性”(Infinitesymmetry)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;对临界现象(Criticalphenomena)的研究导致了标度(Scaling)和普适性(Universality)的出现，进而开展了重整规划群理论（Renormalizationgrouptheory）；

3.对称破缺(BrokenSymmetry)、有序参数(OrderParameter)及分形(Fractal)的概念也从这一学科萌芽扩张，甚至于进入到其他学科；4.散射及反空间（Reciprocalspace）的研究成了研究软物质中“Correlatedstructure”(关联结构)的必要手段之一。而中子(Neutron)及同步辐射x-ray(Synchrotron

x-ray)的发展帮助了这一学科在实验表征上的进展。5.决定体系稳定性的自由能(△F)的焓一般较小，而熵又较大，因此熵更见重要性，进而显示出涨落(Fluctuation)的重要性，也使得体系的非平衡态问题,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：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，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。

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。硬物质：大应力产生小形变软物质：小应力产生大形变二、软物质的分类：胶体：尺寸在1－100nm，固、液、气体颗粒分散在液体中的流体。固体颗粒：油漆(乳液，TiO2)、纸浆、冰淇菱液体颗粒：牛奶(脂肪)、蛋黄酱、洗洁精气体颗粒：泡沫(肥皂泡)悬浮液：尺寸>1mm的固体颗粒分散于液体中的流体。微乳液：在表面活性剂作用下，几百nm－1mm以上液体颗粒分散于液体中的流体。如，农药。乳液：液体颗粒进一步变大--不透明流体。如，日常护理品，牛奶等。颗粒：m－10－4m，如，沙尘暴、泥石流、雪崩。三、软物质在社会中广泛存在：早在1861年，Graham研究了研究了溶液中溶质的渗透行为，发现有些溶质是不能通过半透膜，这些物质被称为胶体。胶体尺寸较大，1-100nm。1866年，Berthelot合成了第一个人造高分子－－聚苯乙烯，现在已经被广泛应用在塑料、薄膜的合成生产中。1931年，Carothers做出了第一个尼龙聚合物。……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：

1.软物质－－液晶(liquidcrystal)：

溶致液晶可以作为模板合成具有奇特形貌的纳米粒子；

热致液晶是一种非常重要的新材料，在数字手表、电子记事本、便携式电脑有重要应用。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，近晶相液晶，胆甾相液晶。Howdoesitdodramatically?在不同的温度下，它可以呈现出固态或液态的特征，它的分子（像拉长的小棍）排列的很规则，是典型的结晶体式的排列。它有两种可熔温度：在第一个可熔温度下，晶体由固体变“不透明”的液体，而当温度升高之后，它就达到了第二个可熔点，成为正常的透明液体。液晶不同的部位分布不同的电极。当不同部位根据要求依次开、关电路时，有的部位有电流通过，分子的排列顺序受到干扰，晶体的这部位就失掉了它的透明度。变成了不透明的点。按用途一般将通用高分子材料分为五类，即塑料、橡胶、纤维、涂料和黏合剂。日常生活用品、衣服质料、装饰用品等都用广泛应用。Aninterestingstory:大约在2500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20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但不久．这种橡胶靴又会破碎成碎片原来橡胶在化学上属于软物质．含有大量的链状高分子，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。2.软物质－－高分子：3.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(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，但是其性质却变得让人吃惊。Whatwillhappen?1mL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，可使消防车龙头喷出的水的高度提高一倍以上。

在墨汁中加一点阿拉伯胶就能使墨汁稳定存在很长时间．一点卤水就能使豆浆变成豆腐。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、香波等。4.胶体体系也是一种很好的软物质：5.软物质－－微乳液：三种类型：W/O,O/W,BC在日用化工、三次采油、农药等有重要应用。泡沫特点：原液一旦喷出，体积扩大约100倍，泡沫“无孔不入”，塌缩后成液体，水冲消除。泡沫的用途：灭菌、去除污染；霜降前的“泡沫装”；防止煤矿地下火灾；防暴等。6.软物质－－泡沫：7.“超市里的隐形管家”－－传感泡沫

研究者最近开发除了一种新颖的传感泡沫，他们是由柔韧的聚烯烃薄片制成，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“电子传导条”。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。每个泡沫传感器可以感知每平方米至少10克的变化，这对于监视超市的货架变化情况已经足够了。8.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DNA等组成。细胞膜是软物质，体液属于胶体．也是软物质．而蛋白质和DNA是长链大分子，也是软物质。细胞细胞膜蛋白质9.软物质在现代社会中的地位21世纪被认为是生命科学的世纪，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。任何生物结构（包括DNA、蛋白质和生物膜）都是建筑在软物质的基础上。和软物质密切相关的领域：新材料、生物、医学、农业、药业、交通、制造业。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、工程等及人们日常生活有广泛影响。①软物质与人们生活休戚相关，如橡胶、人造纤维、墨水、洗涤液、饮料、乳液及药品和化妆品等等；②在技术上有广泛应用，如液晶、聚合物等；③生物体基本上均由软物质组成，如细胞、体液、蛋白、DNA等。软物质物理已成为国际上受到普遍重视的新的学科领域。软物质的研究横越物理、化学、生物三大学科，特别是软物质物理研究的深入开展，是物理科学通向生命科学的桥梁。软物质物理代表了在21世纪凝聚态物理发展的重要趋势。由于历史的原因错过了70年代到90年代的软物质科学快速发展时期，也错过了70年代末到90年代的高分子物理的“文艺复兴”阶段;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显得无力。四、软物质研究的遗憾：五、授课目的：1.获取新的前沿的系统的知识；2.没有高深的理论，通过简单实例获得实验与概念的关系。Theaimofthisclassisnotenterintothelabyrinthoftheo