软物质简介PPT课件
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而言的。平衡态是指系统各处可测的宏观物理性质均匀；
近平衡态是指系统处于离平衡态不远的线性区；远离平
衡态是指系统内可测的物理性质极不均匀的状态。
（2）非线性作用：系统产生耗散结构的内部动力学机制，
正是子系统间的非线性相互作用。
6
2021/6/4
耗散结构理论
在临界点处，非线性机制放大微涨落为巨涨落，使热力学
11
2021/6/4
❖考虑到上述各种因素之后，有人提出材料应该
定义为：
人类社会所能够接受的经济地制造有用器件
的物质。
12
2021/6/4
❖材料科学
20 世纪对于材料的发展历史来说是一个值得
大书特书的时期。20 世纪科学技术领域一系列
惊人的重大发现导致了原子能、航空航天、激
光、信息、能源等领域的巨大变化，而这些巨
体，还可以与适当的溶剂混合形成粘合剂或者油漆。
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奇妙的软物质
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奇妙的软物质
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软物质的特性
❖ 对外界微小作用有很强的反应是软物质的第一个基本特征。
天然橡胶分子的200个碳原子中，只要有一个与硫原子发生作用，就会使天然橡胶
新理论。
其中，软物质的概念就是其中最为重要的一个。
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奇妙的软物质
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1991年, P. G. De Gennes
（德热纳 ）, 在诺贝尔物理
奖颁奖演讲中明确提出了
“软物质”的概念
何谓我们所指的软物质？
美国人宁可称为“复杂流
体” …
…在本世纪上半叶原子物理学的
巨变中，一个自然的结果就是软
软物质简介
Company LOGO
2021/6/4
1
Contents
1. 自组织理论基本介绍
2. 神奇的软物质
3. 软物质的自组织特性
4. 软物质自组织的形式
5. 软物质自组织的意义
2
2021/6/4
什么是自组织？
❖组织是指系统内的有序结构或这种有序结构的形成过
程。
德国理论物理学家H.Haken认为，从组织的进化形
circle）。
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2021/6/4
耗散结构理论
❖ 耗散结构：建立在与环境发生物质、能量交换关系基础
上的结构。
❖ 形成条件：远离平衡态、系统的开放性、系统内不同要
素间存在非线性相互作用和涨落。
耗散结构理论主要研究系统与环境之间的物质与能量交换
关系及其对自组织系统的影响等问题。
（1）远离平衡态：离平衡态是相对于平衡态和近平衡态
大变化则有力地促进了材料的发展，使得材料
在20 世纪中叶发生了一次“革命性”的飞跃，
这个飞跃的标志就是“材料科学”的形成。
13
2021/6/4
❖20 世纪中叶的几项成果
超音速飞机(镍基超级合金)
计算机(晶体管、半导体)
航天飞机(高温结构陶瓷)
材料科学的不断发展，使物理学和化学的相应领域
出现了革命性的进步，诞生了许多新思想、新概念、
式来看，可以把它分为两类：他组织和自组织。
❖他组织：一个系统靠外部指令而形成组织。
❖自组织：不存在外部指令，系统按照相互默契的某种
规则，各尽其责而又协调地自动地形成有序结构。
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一些例子
化学振荡
人体将食物转化为身体的一部分
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自组织理论
自组织理论是20世纪60年代末期开始建立并发展
放大，最后促使系统达到新的宏观态。
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协同学和突变论
❖ 协同学主要研究系统内部各要素之间的协同机制，认为
系统各要素之间的协同是自组织过程的基础，系统内各
序参量之间的竞争和协同作用使系统产生新结构的直接
根源。
❖ 突变论：在临界点附近控制参数的微小改变导致系统状
态明显的大幅度变化的现象，叫做突变。耗散结构的出
起来的一种系统理论。
❖自组织的定义：混沌系统在随机识别时形成耗散结构
的过程。
❖研究对象：复杂自组织系统（生命系统、社会系统）
的形成和发展机制问题。
❖组成部分：耗散结构理论（Dissipative
Structure）、协同学（Synergetics）、突变论
（Catastrophe Theory）和超循环理论（Super
历史学家选择了把某一类材料的特征及其广泛应
用作为人类文明史各个阶段的一种标志
➢
➢
➢
➢
➢
旧石器时代
新石器时代
陶器时代
青铜器时代
铁器时代
10在所处的这个时代应该称为什么时
代呢？
钢时代？
硅时代？
塑料时代？
合成材料时代？
半导体时代？
精密陶瓷时代？
复合材料时代？
纳米时代？
无序的混乱状态转变为一种时间、空间或功能有序的新
的状态。这种有序状态需要不断地与外界交换物质和能
量才能维持，并保持一定的稳定性，且不因外界微小的
扰动而消失。
❖ 这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序
结构，普利高津称之为耗散结构。系统这种能够自行产
生的组织性和相干性，称为自组织现象。
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现都是以这种临界点附近的突变方式实现的。
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从混沌到组织
❖ 指出一个开放系统(不管是力学、物理学、化学，还是
生物学、社会学的系统)，在从平衡态到近平衡态再到
远离平衡态推进的过程中，当到达远离平衡态的非线性
区时，一旦系统的某个参量变化达到一定的阈值，通过
涨落，系统就可能发生突变，即非平衡相交，由原来的
分支失稳，在控制参数越过临界点时，非线性机制对涨落
产生抑制作用，使系统稳定到新的耗散结构分支上。
（3）开放系：由熵增原理，一个孤立系最终达到最无序
的平衡态。但对于开放系，只要外界向系统输入足够的负
熵以抵消系统本身的熵增，总熵减少，系统可以进入相对
有序的状态。
（4）在临界点(即所谓阈值)附近，涨落被不稳定的系统
家用电器大都使用聚合物材料来绝缘。而在厨房里转转，
锅的把手，咖啡壶的柄等都使用聚合物来隔热。
❖ 3．聚合物很轻但可以承受不同的力。
从各种塑料玩具到房屋的框架结构，还有用于防弹衣的
尼龙纤维。
❖ 4．聚合物可以被加工成各种不同的形状，从光纤到复
杂的部件。
例如，塑料既可以被塑造成瓶子也可以被加工成汽车的车
物质，其基础是高分子、表面活
性剂、液晶，还有胶体粒子。
P. G. de Gennes
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❖ 1. 聚合物都具有很强的抗化学腐蚀的能力。
看看我们的家中，洗洁晶、洁厕净等大多数清洗的东西都
盛在塑料容器内；许多强腐蚀性的化学药品也都用塑料
来包装。
❖ 2．聚合物大多既不导电又不导热。
近平衡态是指系统处于离平衡态不远的线性区；远离平
衡态是指系统内可测的物理性质极不均匀的状态。
（2）非线性作用：系统产生耗散结构的内部动力学机制，
正是子系统间的非线性相互作用。
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耗散结构理论
在临界点处，非线性机制放大微涨落为巨涨落，使热力学
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❖考虑到上述各种因素之后，有人提出材料应该
定义为：
人类社会所能够接受的经济地制造有用器件
的物质。
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2021/6/4
❖材料科学
20 世纪对于材料的发展历史来说是一个值得
大书特书的时期。20 世纪科学技术领域一系列
惊人的重大发现导致了原子能、航空航天、激
光、信息、能源等领域的巨大变化，而这些巨
体，还可以与适当的溶剂混合形成粘合剂或者油漆。
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奇妙的软物质
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奇妙的软物质
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软物质的特性
❖ 对外界微小作用有很强的反应是软物质的第一个基本特征。
天然橡胶分子的200个碳原子中，只要有一个与硫原子发生作用，就会使天然橡胶
新理论。
其中，软物质的概念就是其中最为重要的一个。
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奇妙的软物质
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1991年, P. G. De Gennes
（德热纳 ）, 在诺贝尔物理
奖颁奖演讲中明确提出了
“软物质”的概念
何谓我们所指的软物质？
美国人宁可称为“复杂流
体” …
…在本世纪上半叶原子物理学的
巨变中，一个自然的结果就是软
软物质简介
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Contents
1. 自组织理论基本介绍
2. 神奇的软物质
3. 软物质的自组织特性
4. 软物质自组织的形式
5. 软物质自组织的意义
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什么是自组织？
❖组织是指系统内的有序结构或这种有序结构的形成过
程。
德国理论物理学家H.Haken认为，从组织的进化形
circle）。
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耗散结构理论
❖ 耗散结构：建立在与环境发生物质、能量交换关系基础
上的结构。
❖ 形成条件：远离平衡态、系统的开放性、系统内不同要
素间存在非线性相互作用和涨落。
耗散结构理论主要研究系统与环境之间的物质与能量交换
关系及其对自组织系统的影响等问题。
（1）远离平衡态：离平衡态是相对于平衡态和近平衡态
大变化则有力地促进了材料的发展，使得材料
在20 世纪中叶发生了一次“革命性”的飞跃，
这个飞跃的标志就是“材料科学”的形成。
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❖20 世纪中叶的几项成果
超音速飞机(镍基超级合金)
计算机(晶体管、半导体)
航天飞机(高温结构陶瓷)
材料科学的不断发展，使物理学和化学的相应领域
出现了革命性的进步，诞生了许多新思想、新概念、
式来看，可以把它分为两类：他组织和自组织。
❖他组织：一个系统靠外部指令而形成组织。
❖自组织：不存在外部指令，系统按照相互默契的某种
规则，各尽其责而又协调地自动地形成有序结构。
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一些例子
化学振荡
人体将食物转化为身体的一部分
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自组织理论
自组织理论是20世纪60年代末期开始建立并发展
放大，最后促使系统达到新的宏观态。
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协同学和突变论
❖ 协同学主要研究系统内部各要素之间的协同机制，认为
系统各要素之间的协同是自组织过程的基础，系统内各
序参量之间的竞争和协同作用使系统产生新结构的直接
根源。
❖ 突变论：在临界点附近控制参数的微小改变导致系统状
态明显的大幅度变化的现象，叫做突变。耗散结构的出
起来的一种系统理论。
❖自组织的定义：混沌系统在随机识别时形成耗散结构
的过程。
❖研究对象：复杂自组织系统（生命系统、社会系统）
的形成和发展机制问题。
❖组成部分：耗散结构理论（Dissipative
Structure）、协同学（Synergetics）、突变论
（Catastrophe Theory）和超循环理论（Super
历史学家选择了把某一类材料的特征及其广泛应
用作为人类文明史各个阶段的一种标志
➢
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旧石器时代
新石器时代
陶器时代
青铜器时代
铁器时代
10在所处的这个时代应该称为什么时
代呢？
钢时代？
硅时代？
塑料时代？
合成材料时代？
半导体时代？
精密陶瓷时代？
复合材料时代？
纳米时代？
无序的混乱状态转变为一种时间、空间或功能有序的新
的状态。这种有序状态需要不断地与外界交换物质和能
量才能维持，并保持一定的稳定性，且不因外界微小的
扰动而消失。
❖ 这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序
结构，普利高津称之为耗散结构。系统这种能够自行产
生的组织性和相干性，称为自组织现象。
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现都是以这种临界点附近的突变方式实现的。
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2021/6/4
从混沌到组织
❖ 指出一个开放系统(不管是力学、物理学、化学，还是
生物学、社会学的系统)，在从平衡态到近平衡态再到
远离平衡态推进的过程中，当到达远离平衡态的非线性
区时，一旦系统的某个参量变化达到一定的阈值，通过
涨落，系统就可能发生突变，即非平衡相交，由原来的
分支失稳，在控制参数越过临界点时，非线性机制对涨落
产生抑制作用，使系统稳定到新的耗散结构分支上。
（3）开放系：由熵增原理，一个孤立系最终达到最无序
的平衡态。但对于开放系，只要外界向系统输入足够的负
熵以抵消系统本身的熵增，总熵减少，系统可以进入相对
有序的状态。
（4）在临界点(即所谓阈值)附近，涨落被不稳定的系统
家用电器大都使用聚合物材料来绝缘。而在厨房里转转，
锅的把手，咖啡壶的柄等都使用聚合物来隔热。
❖ 3．聚合物很轻但可以承受不同的力。
从各种塑料玩具到房屋的框架结构，还有用于防弹衣的
尼龙纤维。
❖ 4．聚合物可以被加工成各种不同的形状，从光纤到复
杂的部件。
例如，塑料既可以被塑造成瓶子也可以被加工成汽车的车
物质，其基础是高分子、表面活
性剂、液晶，还有胶体粒子。
P. G. de Gennes
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❖ 1. 聚合物都具有很强的抗化学腐蚀的能力。
看看我们的家中，洗洁晶、洁厕净等大多数清洗的东西都
盛在塑料容器内；许多强腐蚀性的化学药品也都用塑料
来包装。
❖ 2．聚合物大多既不导电又不导热。