軟物質(zhì)科學(xué)簡(jiǎn)介

1、19911991年法國(guó)物理學(xué)家年法國(guó)物理學(xué)家 P. G. de Gennes P. G. de Gennes 在他的諾貝爾獎(jiǎng)演在他的諾貝爾獎(jiǎng)演說(shuō)中將過(guò)去常被稱為說(shuō)中將過(guò)去常被稱為“復(fù)雜流復(fù)雜流(Complex fluids)(Complex fluids)體體”的分的分子體系冠名子體系冠名“軟物質(zhì)軟物質(zhì)(Soft Matter)”(Soft Matter)”；軟物質(zhì)研究的對(duì)象包括軟物質(zhì)研究的對(duì)象包括: : 聚合物聚合物(Polymers)(Polymers)、液晶、液晶(Liquid (Liquid Crystals)Crystals)、表面活性劑、表面活性劑(Surfactants)(Sur

2、factants)、膠體、膠體(Colloids)(Colloids)、乳狀液乳狀液(Emulsions)(Emulsions)、泡沫、泡沫(Foams)(Foams)、顆粒、顆粒(Particles)(Particles)物質(zhì)物質(zhì)以及生物大分子等與我們?nèi)粘Ｉ罴吧芮邢嚓P(guān)的物以及生物大分子等與我們?nèi)粘Ｉ罴吧芮邢嚓P(guān)的物質(zhì)質(zhì)分子體系；分子體系；最有代表性的物質(zhì)最有代表性的物質(zhì): :高分子、膠體、液晶、生物大分子或與高分子、膠體、液晶、生物大分子或與之相關(guān)的物質(zhì)。之相關(guān)的物質(zhì)。 1） 基本概念：基本概念：P. G. De Gennes,1991年諾貝爾物理獎(jiǎng)，把年諾貝爾物理獎(jiǎng)，把研究簡(jiǎn)單系

3、統(tǒng)有序現(xiàn)研究簡(jiǎn)單系統(tǒng)有序現(xiàn)象的方法，應(yīng)用到更象的方法，應(yīng)用到更為復(fù)雜物質(zhì)、液晶和為復(fù)雜物質(zhì)、液晶和聚合體作出貢獻(xiàn)。聚合體作出貢獻(xiàn)。 2) 軟軟(Soft) 硬硬(Hard)軟物質(zhì)的兩個(gè)本質(zhì)特征：軟物質(zhì)的兩個(gè)本質(zhì)特征：非常弱的外界作用具有非常強(qiáng)的響應(yīng)非常弱的外界作用具有非常強(qiáng)的響應(yīng)(Molecular systems give a strong response to a very weak command signal)；非常小量的添加劑能夠戲劇性地改變體系性質(zhì)。非常小量的添加劑能夠戲劇性地改變體系性質(zhì)。 軟與硬的根本區(qū)別：軟與硬的根本區(qū)別： 軟物質(zhì)以軟物質(zhì)以“軟軟”及及“非周期性非周期性”或

4、以或以“高對(duì)稱性高對(duì)稱性”(Infinite (Infinite symmetry)symmetry)以別于一般的硬物質(zhì)以別于一般的硬物質(zhì): :軟物質(zhì)的性質(zhì)及組成一般都是跨越多個(gè)空間及時(shí)間尺度軟物質(zhì)的性質(zhì)及組成一般都是跨越多個(gè)空間及時(shí)間尺度; ;1.1. 對(duì)臨界現(xiàn)象對(duì)臨界現(xiàn)象(Critical phenomena)(Critical phenomena)的研究導(dǎo)致了標(biāo)度的研究導(dǎo)致了標(biāo)度(Scaling)(Scaling)和普適性和普適性(Universality)(Universality)的出現(xiàn)，進(jìn)而開(kāi)展了重整的出現(xiàn)，進(jìn)而開(kāi)展了重整規(guī)劃群理論（規(guī)劃群理論（Renormalization gr

5、oup theoryRenormalization group theory）；）； 3 3. . 對(duì)稱破缺對(duì)稱破缺(Broken Symmetry)(Broken Symmetry)、有序參數(shù)、有序參數(shù)(Order (Order Parameter)Parameter)及分形及分形(Fractal)(Fractal)的概念也從這一學(xué)科的概念也從這一學(xué)科萌芽擴(kuò)張，甚至于進(jìn)入到其他學(xué)科；萌芽擴(kuò)張，甚至于進(jìn)入到其他學(xué)科；4. 4. 散射及反空間（散射及反空間（Reciprocal spaceReciprocal space）的研究成了研）的研究成了研究軟物質(zhì)中究軟物質(zhì)中“Correlated st

6、ructure”(Correlated structure”(關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)) )的必要手段之一。的必要手段之一。而中子而中子(Neutron)(Neutron)及同步輻射及同步輻射x-x-ray (ray (Synchrotron x-ray)的發(fā)展幫助了這一學(xué)科的發(fā)展幫助了這一學(xué)科在實(shí)驗(yàn)表征上的進(jìn)展。在實(shí)驗(yàn)表征上的進(jìn)展。5. 5. 決定體系穩(wěn)定性的自由能決定體系穩(wěn)定性的自由能( (F)F)的焓一般較小，而的焓一般較小，而熵又較大，因此熵又較大，因此熵更見(jiàn)重要性熵更見(jiàn)重要性，進(jìn)而顯示出漲落，進(jìn)而顯示出漲落(Fluctuation)(Fluctuation)的重要性，也使得體系的非平衡態(tài)的重

7、要性，也使得體系的非平衡態(tài)問(wèn)題問(wèn)題, , 及非線性問(wèn)題成為重要的難題。及非線性問(wèn)題成為重要的難題。粗略的講，軟物質(zhì)主要包括了兩個(gè)方面：粗略的講，軟物質(zhì)主要包括了兩個(gè)方面：復(fù)雜性、易變性復(fù)雜性、易變性。 軟物質(zhì)的易變性指的是，軟物質(zhì)的抵抗力比較弱，軟物質(zhì)的易變性指的是，軟物質(zhì)的抵抗力比較弱，變化通常也是非線性的，但系統(tǒng)變化的方向和大小還是變化通常也是非線性的，但系統(tǒng)變化的方向和大小還是可以知道的?？梢灾赖?。 純天然的橡膠乳液氧化形成了固化的橡膠，但這種橡膠純天然的橡膠乳液氧化形成了固化的橡膠，但這種橡膠非常不結(jié)實(shí)，很容易就會(huì)因?yàn)榭諝獾睦^續(xù)氧化而破碎。而將非常不結(jié)實(shí)，很容易就會(huì)因?yàn)榭諝獾睦^續(xù)氧化

8、而破碎。而將天然橡膠硫化之后就變得非常的耐用，不容易破碎。與氧同天然橡膠硫化之后就變得非常的耐用，不容易破碎。與氧同族的硫元素僅僅比氧的化學(xué)活性略差一點(diǎn)，但達(dá)到的效果卻族的硫元素僅僅比氧的化學(xué)活性略差一點(diǎn)，但達(dá)到的效果卻迥然不同。迥然不同。 硬物質(zhì)：大應(yīng)力產(chǎn)生小形變硬物質(zhì)：大應(yīng)力產(chǎn)生小形變軟物質(zhì)：小應(yīng)力產(chǎn)生大形變軟物質(zhì)：小應(yīng)力產(chǎn)生大形變?nèi)?、軟物質(zhì)在社會(huì)中廣泛存在：三、軟物質(zhì)在社會(huì)中廣泛存在：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質(zhì)的滲透行為溶質(zhì)的滲透行為，發(fā)現(xiàn)有些溶質(zhì)是發(fā)現(xiàn)有些溶質(zhì)是不能通過(guò)半透膜不能通過(guò)半透膜，這些物質(zhì)被稱為，這些物質(zhì)被稱為膠體膠體。膠體。

9、膠體尺寸較大，尺寸較大，1-100 nm。1866年，年，Berthelot合成了第一個(gè)人造高分子合成了第一個(gè)人造高分子聚苯乙烯聚苯乙烯，現(xiàn)，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用應(yīng)用在塑料、薄膜的合成生產(chǎn)中。在塑料、薄膜的合成生產(chǎn)中。1931年，年，Carothers做出了第一個(gè)做出了第一個(gè)尼龍聚合物尼龍聚合物。軟物質(zhì)如液晶、聚合物、膠體、膜、泡沫、顆粒物質(zhì)、生命體軟物質(zhì)如液晶、聚合物、膠體、膜、泡沫、顆粒物質(zhì)、生命體系等，在自然界、生命體、日常生活和生產(chǎn)中廣泛存在。系等，在自然界、生命體、日常生活和生產(chǎn)中廣泛存在。下面以具體的實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明：下面以具體的實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明： 引起分子排列長(zhǎng)程有序的主要原因

10、是引起分子排列長(zhǎng)程有序的主要原因是溶質(zhì)與溶劑分子之間的相互作用溶質(zhì)與溶劑分子之間的相互作用 由單一化合物或由少數(shù)化合物的均勻混合由單一化合物或由少數(shù)化合物的均勻混合物形成的液晶。通常在一定溫度范圍內(nèi)才物形成的液晶。通常在一定溫度范圍內(nèi)才顯現(xiàn)液晶相的物質(zhì)。按照棒形分子排列方顯現(xiàn)液晶相的物質(zhì)。按照棒形分子排列方式把熱致晶體分為三種：向列相液晶，近式把熱致晶體分為三種：向列相液晶，近晶相液晶，膽甾相液晶。晶相液晶，膽甾相液晶。 按用途一般將通用高分子材料分為五類，即按用途一般將通用高分子材料分為五類，即塑料、橡膠、纖維、塑料、橡膠、纖維、涂料和黏合劑涂料和黏合劑。 日常生活用品、衣服質(zhì)料、裝飾用品等

11、都用廣泛應(yīng)用。日常生活用品、衣服質(zhì)料、裝飾用品等都用廣泛應(yīng)用。 An interesting story:An interesting story:大約在大約在25002500年前在亞馬孫河流域的印第安人常把巴西三葉膠樹(shù)汁涂抹在腳上年前在亞馬孫河流域的印第安人常把巴西三葉膠樹(shù)汁涂抹在腳上 ，約，約2020分鐘后，這種奇怪的液體就分鐘后，這種奇怪的液體就 可以在印第安人的腳上凝成了一雙靴子可以在印第安人的腳上凝成了一雙靴子 但不久這但不久這種橡膠靴又會(huì)破碎成碎片種橡膠靴又會(huì)破碎成碎片 原來(lái)橡膠在化學(xué)上屬原來(lái)橡膠在化學(xué)上屬 于軟物質(zhì)含有大量的鏈狀高分于軟物質(zhì)含有大量的鏈狀高分 子，子，這些高分子本

12、來(lái)是相互獨(dú)立流動(dòng)的，但暴露在空氣中，橡膠中的碳原子與氧會(huì)發(fā)生這些高分子本來(lái)是相互獨(dú)立流動(dòng)的，但暴露在空氣中，橡膠中的碳原子與氧會(huì)發(fā)生反應(yīng)，就會(huì)戲劇性地改變橡膠的彤態(tài)，便之凝固起來(lái)隨著時(shí)間的推移，更多的碳反應(yīng)，就會(huì)戲劇性地改變橡膠的彤態(tài)，便之凝固起來(lái)隨著時(shí)間的推移，更多的碳原子與氧繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)。橡膠的形態(tài)又會(huì)被戲劇性地改變而破碎。原子與氧繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)。橡膠的形態(tài)又會(huì)被戲劇性地改變而破碎。3. 當(dāng)水變成軟物質(zhì)當(dāng)水變成軟物質(zhì)當(dāng)水中添加一點(diǎn)溶于水的高分子長(zhǎng)鏈物質(zhì)當(dāng)水中添加一點(diǎn)溶于水的高分子長(zhǎng)鏈物質(zhì)(哪怕只有哪怕只有0.001)，水就會(huì)變成軟物質(zhì)，它雖然看起來(lái)還是清澈透明的，但是其水就會(huì)變成軟物質(zhì)，它雖

13、然看起來(lái)還是清澈透明的，但是其性質(zhì)卻變得讓人吃驚。性質(zhì)卻變得讓人吃驚。What will happen?1 mL 普通水倒在地上，她會(huì)馬上四散濺開(kāi)，但是軟物質(zhì)水反普通水倒在地上，她會(huì)馬上四散濺開(kāi)，但是軟物質(zhì)水反而會(huì)變扁、彈起，像一團(tuán)柔軟的橡皮一樣。石油開(kāi)采時(shí)，一而會(huì)變扁、彈起，像一團(tuán)柔軟的橡皮一樣。石油開(kāi)采時(shí)，一般采用這種添加了高分子的水沖擊油礦，抱成一團(tuán)的軟物質(zhì)般采用這種添加了高分子的水沖擊油礦，抱成一團(tuán)的軟物質(zhì)水就會(huì)水就會(huì)把石油從油礦中趕出來(lái)把石油從油礦中趕出來(lái)。消防水中經(jīng)常添加少量聚乙烯氧化物，可消防水中經(jīng)常添加少量聚乙烯氧化物，可使消防車(chē)龍頭噴使消防車(chē)龍頭噴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 在墨汁中加一點(diǎn)阿拉伯膠就能使墨汁穩(wěn)定存在很長(zhǎng)時(shí)間在墨汁中加一點(diǎn)阿拉伯膠就能使墨汁穩(wěn)定存在很長(zhǎng)時(shí)間u 一點(diǎn)鹵水就能使豆?jié){變成豆腐。一點(diǎn)鹵水就能使豆?jié){變成豆腐。u 表面活性劑達(dá)到一定濃度后，可以自聚集形成多種聚集體，表面活性劑達(dá)到一定濃度后，可以自聚集形成多種聚集體，用于洗滌、乳化、起泡、消泡等。如，日常用的洗衣粉、香波用于洗滌、乳化、起泡、消泡等。如，日常用的洗衣粉、香波等。等。4. 膠體體系也是一種很好的軟物質(zhì)：膠體體系也是一種很好的軟物質(zhì)：三種類型：W/O, O/W, BC在在日用化工、三次采油、農(nóng)藥日用化工、三次采油、農(nóng)藥等有重要應(yīng)用。等有重要應(yīng)用。泡沫特點(diǎn)：泡沫

15、特點(diǎn)：原液一旦噴出，體積擴(kuò)大原液一旦噴出，體積擴(kuò)大約約100100倍，泡沫倍，泡沫“無(wú)孔不無(wú)孔不入入” ，塌縮后成液體，水，塌縮后成液體，水沖消除。沖消除。滅菌、去除滅菌、去除污染；霜降前的污染；霜降前的“泡沫泡沫裝裝”；防止煤礦地下火災(zāi)；防止煤礦地下火災(zāi)；防暴等。防暴等。7. “超市里的隱形管家超市里的隱形管家”傳感泡沫傳感泡沫 研究者最近開(kāi)發(fā)除了一種新穎的研究者最近開(kāi)發(fā)除了一種新穎的傳感泡沫傳感泡沫，他們是由，他們是由柔韌的柔韌的聚烯烴聚烯烴薄片制成，每隔四分之一毫米即有一個(gè)空氣薄片制成，每隔四分之一毫米即有一個(gè)空氣間隙，所以這種材料非常輕便且富有彈性。當(dāng)然，這些泡間隙，所以這種材料非常輕

16、便且富有彈性。當(dāng)然，這些泡沫和那些普通的包裝墊料是不一樣的。在其體內(nèi)，含有金沫和那些普通的包裝墊料是不一樣的。在其體內(nèi)，含有金屬物質(zhì)，因此可稱之為屬物質(zhì)，因此可稱之為“電子傳導(dǎo)條電子傳導(dǎo)條”。當(dāng)一件物品置于。當(dāng)一件物品置于泡沫之上，它就被輕微壓緊了一點(diǎn)，于是電子傳導(dǎo)條會(huì)發(fā)泡沫之上，它就被輕微壓緊了一點(diǎn)，于是電子傳導(dǎo)條會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)貨架上物品重量達(dá)到一定限值是，它就會(huì)發(fā)出生改變。當(dāng)貨架上物品重量達(dá)到一定限值是，它就會(huì)發(fā)出提示，告知管理員貨架該上新產(chǎn)品了。提示，告知管理員貨架該上新產(chǎn)品了。每個(gè)泡沫傳感器可每個(gè)泡沫傳感器可以感知每平方米至少以感知每平方米至少10克的變化，克的變化，這對(duì)于監(jiān)視超市的貨

17、架這對(duì)于監(jiān)視超市的貨架變化情況已經(jīng)足夠了。變化情況已經(jīng)足夠了。8. 軟物質(zhì)造就了生命體軟物質(zhì)造就了生命體 我們的身體就是由細(xì)胞、體液、蛋白質(zhì)和我們的身體就是由細(xì)胞、體液、蛋白質(zhì)和DNA等組成。等組成。細(xì)胞膜細(xì)胞膜是軟物質(zhì)，是軟物質(zhì)，體液體液屬于膠體也是屬于膠體也是軟物質(zhì)而軟物質(zhì)而蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)和DNA是長(zhǎng)鏈大分子，也是軟是長(zhǎng)鏈大分子，也是軟物質(zhì)。物質(zhì)。細(xì)胞細(xì)胞細(xì)胞膜細(xì)胞膜蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 由于歷史的原因錯(cuò)過(guò)了由于歷史的原因錯(cuò)過(guò)了7070年代到年代到9090年代的軟物質(zhì)年代的軟物質(zhì)科學(xué)快速發(fā)展時(shí)期，也錯(cuò)過(guò)了科學(xué)快速發(fā)展時(shí)期，也錯(cuò)過(guò)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“文藝復(fù)興文藝復(fù)興”階段階段; ; 傳統(tǒng)的化學(xué)支持下維持住了一部分的高分子、膠傳統(tǒng)的化學(xué)支持下維持住了一部分的高分子、膠體、界面、液晶及生物科學(xué)的研究，但是在軟物體、界面、液晶及生物科學(xué)的研究，但是在軟物質(zhì)的理論、物理、化學(xué)及實(shí)驗(yàn)上卻顯得很薄弱。質(zhì)的理論、物理、化學(xué)及實(shí)驗(yàn)上卻顯得很薄弱。因此，要能在下一步的材料和應(yīng)用上有所創(chuàng)新也因此，要能在下一步的材料和應(yīng)用上有所創(chuàng)新也顯得無(wú)力。顯得無(wú)力。四、四、 軟物質(zhì)研究的遺憾：軟物質(zhì)研究的遺憾：五、五、 授課目的：授課目的：1. 獲取新的前沿的系統(tǒng)的知識(shí)；獲取