软物质

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:对小作用起大响应的 所有物理化学体系
1991 年诺贝尔物理奖得主德· 热纳
所有处于简单流体和结晶固体 状态之间的物质为软物质。
作者:理查· 琼ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ教授(英国)
软物质(Soft matter)由固、液、气集团或大分子等为基本组元组成, 是处于 理想流体和固体之间的复杂体系.其结构单元间相互作用相当弱(约为kT), 由热涨 落和熵主导其运动和变化.软物质的最基本特性是对外界小作用的大响应和自组织 (装)行为.
与人们生活休戚相关,橡胶, 人造纤维、汁、洗涤液、饮料、 乳液、药品和化妆品等等
软物质
生物体基本上均由软物质成, 如细胞、体液、蛋白、DNA 等.
在技术上有广泛应用,如液晶、 聚合物等
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。
下面我们来看看软物质都具有哪些特性。
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,即其黏度随搅动时间增长而减小. 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,软物质的黏度会随搅动的时间增长 而变大.
软物质的第三个特点是其具有类似结晶体的有序结构
根据热力学理论, 体系的状态由自由能F = U-TS决定, 其 中U、T、S分别为内能、温度和熵.内能的变化与物质所 受外力相关,硬物质受力改变的主要是其内能。在软物 质中, 体系的变化主要由熵变引起.
对于软物质而言,受到很小的外力,体系即能产生很大的 变化,在一定温度下体系的熵必定发生巨大变化。也就是 说,在软物质中体系的变化主要是由熵引起的,软物质可 称作是由熵驱动的物质。软物质的自组装行为即是所谓的 熵力作用的结果,复杂的蛋白质分子会自行折叠成特殊的 结构等。
只有晶格结构的固体才有长程有序结构,而软物质虽有流体的特性,却能具 晶体的结构。
自然界无处不在的颗粒状物质也可看 成软物质一种,每个颗粒本身虽然是 固体,但是大量的颗粒却能像流体一 样流动,它具有上所有软物质的特性
这些都是软物质长程有序结构特点
自组织特性
自组织是体系在没有外部控制情况下形成的自发结构。熵力、排空效应 是导致自组织形成的主导因素。
弱力强反应
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.
复杂的力学响应特性
以聚合物为例,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3 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,关于非牛顿 流体的奇妙特性如射流胀大、爬杆效应、无管 虹吸、剪切变稀、湍流减阻、拨丝性等,都会 出现.
结语
软物质物理是物理学与化学、生命科学 及材料科学, 以及很多技术和工程紧密联 系的重要界面, 也与社会的需求及人们的 日常生活休戚相关.软物质的许多基本问题 向物理学提出了新的挑战。。。
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