加载中…什么是软物质
(2012-03-25 12:21:53)
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杂谈 |
固体与流体起作用的基本单元是原子与分子,其之间的作用决定了固体与流体性质.
软物质起作用的基本单元是大分子或基团,熵起很重要作用.
软物质包含的系统很广，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。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。铁磁流体(ferrofluid)、电流变液(electrorheologicaol
fluid)、磁流变液（magnetorheological fluid）等,沙滩.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。
软物质包括的范围很广，属于复杂体系。其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。软物质物理已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。软物质的许多奇特性质使其有重要的应用前景，如通过改变施加的电场或磁场强度，可连续快速地调节固体粉末与液体混合物体系的软硬程度，利用这一特性或作减震器离合器、制动器、机器人等。又如软物质研究的颗粒物质类似日常生活中的沙石、泥石流、矿物、粮食以致公路上的车辆等，静止时是固体，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。像软物质所研究的结构基因组学是以基因组序列为基础进行系统的结构生物学研究，其目的就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。
国际上公认的“软物质物理学”领域的代表人物是：皮埃尔·吉勒·德热纳（法语：Pierre-Gilles de
Gennes，1932年10月24日－2007年5月18日），法国物理学家，1991年获诺贝尔物理学奖，其获奖理由是：发现研究简单系统中有序现象的方法可以被推广用于处理更为复杂的物质，特别是液晶和高分子。他在诺贝尔获奖典礼上使用“软物质”（Soft
Matter）一词代替之前的专业术语——“复杂流体”(Complex
Fluid)，他认为之前的名称可能会让年轻人对此学科望而却步。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。
与固体相比，这类物质缺少硬的结构，所以称之为软物质。但是，“软”并不是这类物质的主要特征。热纳对液晶与高分子聚合物以及胶体的研究显示，这些软物质因微弱的外力作用而改变状态的现象，与固体金属的超导相变极为相似。这使他渐渐对相变、序参数等概念有深刻的认识，证明了自然界从简单系统（如超导体）到复杂系统（如液晶、聚合物）都存在统一的相变规律。
软物质的主要特性有三点，即复杂性(complexity)、适应性(flexibility)、耦合性(coupling)。
——“复杂性”是指人们无法从单个原子或分子的排列结构和性质推知系统整体的物理性质，这与传统的晶体不一样，因为这些软物质系统最小的功能单元不再是原子或分子，而是包含大量原子或分子的颗粒等介观结构；软物质的复杂结构不需要外力的参与,仅由热力学第二定律决定.结构决定性质,导致软物质的复杂性.
——“适应性”是指轻微的化学作用能够促使力学性质发生显著变化，以便更好地适应系统所在的环境；
——“耦合性”是指各种作用力与系统构型之间存在耦合，例如，作用于系统的力改变了，系统的构型也会随之改变。
人们把研究软物质物理性质（即：力、电、磁、光、声、热等方面的性质）的学科叫做“软凝聚态物理学”(Soft Condensed
Matter Physics)、或“软物质物理学”(Soft Matter
Physics)，它是传统物理学在新时期的一个新发展，此所谓“老树开新花”。
国际上发表“软物质物理学”领域的研究成果的(主要的)专业学术期刊有：Soft Matter,
Physical Review E, Journal of Physical Chemistry B, European
Physical Journal E，等. 其中，Soft Matter属于一区期刊（by 中科院）。当然，此外的top
journals，诸如 Nature, Science, PNAS, Nature Physics, Physical Review
Letters等也发表软物质物理领域的研究成果，但这些期刊并非专业期刊。
以橡胶为例，说明软物质的性质。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变粘土的形状。这便是软物质的核心和基本定义。”
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。
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