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中科院力学所
软物质漫谈
力学园地
2015年12月29日软物质漫谈
王振东+，姜楠
（天津大学力学系，天津30072）
软物质的提出
软物质(Soft matter)是指处于固体和理想流体之间的物质。一般由大分子或基团（固、液、气）组成，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。软物质与人们生活休戚相关，如橡胶、人造纤维、墨汁、洗涤液、饮料、乳液、药品和化妆品等等；在技术上有广泛应用，如液晶、聚合物等；生物体基本上均由软物质组成，如细胞、体液、蛋白、DNA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重要意义。
在力学研究中，常将剪应力与剪切应变率之间不满足线性关系的流体称为非牛顿流体。1928年宾汉 Bingham E C 1878～1945）提出了“流变学”（Rheology）。1929年在美国成立了流变学会（Rheological？ Society），研究材料的变形和流动。1929年召开了第一次会议，并创办了《流变学杂志》（Journal of Rheology）。许多人也从流变学的观点来进行研究处于固体和理想流体之间的物质。在《力学与实践》杂志中曽发表过一些文章作过讨论[1]-[6]。
20世纪90年代，美国的《物理评论》（Phys. Rev.）新辟了一个分册，专门刊登有关液晶、高分子聚合物、胶体等方面的研究论文，并将它们称为复杂流体(complex fluid)。开始是每月一分册，很快又增加了刊登凝聚态物理论文的另一分册。
1991年，诺贝尔奖获得者、法国物理学家德 热纳（图1.皮埃尔-吉勒 德 热纳，Pierre-Gilles de Gennes，1932年10月24日－2007年5月18日），在诺贝尔奖授奖会上以“软物质”为演讲题目，用“软物质”一词概括复杂液体等一类物质，逐渐得到科学界的广泛认可。德 热纳这个讲演的内容后来发表在1992年的”科学”(Science 256 (5056), 495-497 (1992))[7]和”现代物理评论“(Review of Modern Physics 64, #3, 645-648 (1992)[8]).
德 热纳对物理学所作的贡献，起初是在硬物质—金属与合金的超导性，1968年开始转入软物质—液晶的基础研究。由于德 热纳在差别非常大的不同物理领域（磁、超导体、液晶、聚合物等）都作出了开创性的研究，1991年10月16日，在 德 热纳获诺贝尔奖的新闻发布会上，瑞典科学院发言人说：“在审定时，有一些科学家将德 热纳誉称为当代牛顿”。？ 德 热纳自1991年起不断受邀到许多中学演讲，后来他的同事1996年将其录音与录像整理成书，中译本为2000年所出的《软物质与硬科学》(图2)[9]。
图1 1991年诺贝尔奖得主德 热纳
图2《软物质与硬科学》一书
对软物质的通俗理解，是指容易形变的东西。尽管通俗地说软物质很容易，但要对软物质下严挌的定义却十分困难。德 热纳当年的定义是对小作用起大响应的所有物理化学体系。《软凝聚态物质》[10]一书的作者英国谢菲尔德大学物理系教授理查 琼斯，则将所有处于简单流体和结晶物体之间的物质称为软物质。
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，是多学科交叉的研究领域，更是通向研究生命体系的桥梁。目前，软物质研究已成为物理学、化学、力学和生命科学的重要前沿学科。软物质是复杂体系，与固体和液体有不同的运动规律，需要我们深入认识。
21世纪被认为是生命科学的世纪，因为任何生物结构（包括DNA、蛋白质和生物膜）都是建筑在软物质的基础上。所以，从物质划代角度来看，二十一世纪也是软物质的世纪。
弱力强反应
弱力强反应是软物质的重要特性，曾被德 热纳当年用作软物质的定义。弱力强反应是指：对外界微小作用的敏感性，即小的外加物理、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。
德 热纳举了印第安人橡胶靴子(图3)的例子，2500年前，亚马逊河流域的印第安土著就懂得用白色的橡胶树的乳汁涂在脚上做靴子，20分钟后就凝固成为一双靴子，但这种靴子只能穿一天，由于空气氧化，纯天然的橡胶靴很快就破碎了。
图3 印第安人橡胶靴子
直到1839年，美国人固特异发明了橡胶硫化处理技术，才使橡胶成为坚固耐用的材料。橡胶的硫化是一种极其微弱的化学反应，天然橡胶的每200个碳原子中，只有1个原子与硫发生反应(图4)。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，胶汁变成了橡胶。这证明：有些物质会因微弱的作用而改变状态。于是橡胶就成了一个实现工业化生产的聚合物。空气中的氧可使橡胶长链分子断裂，而与氧同族的硫元素仅仅比氧的化学活性略差一点，却使长链分子结合得更好，这就是软物质的一个奇异特性：弱力引起强变化反应。
图4 橡胶的硫化示意图
德 热纳还喜欢举的一个例子是中国墨汁，碳黑用水调了就可以用来写字，但是放置后碳黑会沉降，解决的办法是加一点胶在水中，墨汁就稳定了。因为胶中的长链糖分子——聚透明质酸，附着在碳粒的几个点上，从而阻挡了碳粒的彼此接近，而碳粒就不能凝集在一起了。德 热纳说：“中国墨汁发明了4000多年后，才得到这份完满的解释，那还不过是十年前，因为了解了聚合物的稳定机制才获得的解释，发明与获得解释之间，前后相差数千年。这说明，发明要远远早于解释的出现。再则，解释的产生跟发明一样，都是经过崎岖弯曲的长路，一路上不断有人尝试和失败，直至最终找到正确的解释。”
复杂的力学响应特性
软物质有复杂的力学响应特性。
以聚合物(图6)为例，在不同的温度、不同的受力状态下，可呈现玻璃态、高弹态、黏流态等三种力学状态。当聚合物处于玻璃态时，呈现为一般的硬物质特性。当聚合物处于高弹态时，表现出软物质高形变能力的高弹性。当温度升高时，聚合物会熔融为黏弹性流体，笔者关于非牛顿流体的奇妙特性谈到的射流胀大，爬杆效应(图5)，无管虹吸，剪切变稀，湍流减阻，拨丝性等，都会出现。
图5 非牛顿流体的爬杆效应
图6 聚合物的分子结构
在对剪切的响应方面，搅和牛奶、血液、黏土、润滑油等触变性软物质，会出现剪切变稀现象，即其黏度隨搅动时间增长而减小。笔者曾写过一篇“腱鞘嚢肿冶愈记—漫谈材料的触变性”，讨论过这一问题。而蕃茄酱、蜂密、芝麻酱、油漆、石膏、浓糖液、勾芡汁等震凝性软物质，则出现剪切致稠，即越搅和越稠，软物质的黏度会隨搅动的时间增长而变大。
软物质的时间与空间尺度
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，它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在介观尺度范围内的介观结构。
软物质的时间与空间尺度的范围跨度很大，在介观尺度（约10-10000nm）的范围内(图7)，通过相互作用可形成从简单的时空有序到到复杂生命体系列的结构体和动力学系统。
图7 软物质的时间与空间尺度
液晶
作为软物质的例子，介绍一下液晶(图8)。
液晶是介于各向同性的液体和各向异性的晶体之间的一种物质。通常固态物质加热到熔点就会转变为液态，但是液晶当温度升高到熔点后并不马上转为液态而是处于一种过渡状态，表现出一种介于固态与液态之间的性质，既有双折射这样固体的性质，又有流动性这样液体的性质。 当温度再进一步升高到某数值后，才转变为液态。
图8 液晶
液晶对于各种外界因素（热、电、磁、光、声、应力：幅射等）的微小变化都很敏感，很小的外界能量就能使其结构发生变化，从而使相应的功能发生变化。
液晶显示器(图9)的广泛应用，扱大的引发人们对软物质研究的兴趣。
图8 液晶[/caption]
图9 液晶显示器原理示意图
结语：软物质是多学科交叉的研究领域，更是通向研究生命体系的桥梁。软物质力学是力学的一个新兴方向，无疑是力学学科新的生长点之一，有可能挖掘出传统力学框架解决不了的问题，值得我们关注和研究。
参考文献
1.王振东，奇妙的非牛顿流体，力学与实践，1998，20（1）：72~742.王振东，奇异的电磁流变液体，力学与实践，1998，20（6）：74~76
3.王振东，从腱鞘囊肿谈起—漫谈材料的触变性，力学与实践，2000，22（3）：74~76
4.王振东，流变学的研究对象，力学与实践，2001，23（4）：68~71
5.武际可，从吃汤包说起—浅谈流变学，力学与实践，2012，34（1）：116~117
6.朱克勤，固体还是流体，力学与实践，2010，32（4）：115~116
7.P. G. de Gennes，Soft matter，Science，1992， 256 (5056), 495-497
8.P. G. de Gennes，Soft matter，Review of Modern Physics，1992，64（3）： 645-648
9.P. G. de Gennes,Jacques Badoz,Soft Matter,Hard Science,and the Thrill of Discovery,Spriger,1996？？ 德 热纳、巴杜著，卢定伟、唐玉立、孙大坤译，软物质与硬科学，长沙：湖南教育出版社，2000
10理查 琼斯(Richard.A.L.Jones)著, 软凝聚态物质,北京: 科学出版社,2008
Talk about the Soft matter
WANG？ Zhendong JIANG Nan
(Department of Mechanics,Tianjin University, Tianjin,300072)