生物材料-软物质的研究

软物质的研究导论

课程：生物材料

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学号：**********

专业：材料学（无机）

学院：材料科学与工程学院

软物质的研究导论

摘要：软物质的提出与发现，为推动二十一世纪凝聚态物质的研究提供了很大的便利。文章概述了软物质的发展和作用意义，并针对软物质的三个基本特性展开陈述，对其应用进行归纳总结。以国内外发展现状为契机，认识问题，展望未来。

关键词：软物质；特征与应用；发展现状

1.引言

软物质这一概念由法国物理学家德·热纳(P.G. de Gennes)首先提出，他在1991年诺贝尔奖授奖会上以“软物质(SoftMatter)”为演讲题目[1]，他用“软物质”一词概括所有“软”的东西[2]，包括普通的流体和当时美国学者惯常称呼的“复杂流体”，从此推动了一门21世纪跨越物理、化学和生物三大学科的重要交叉学科的发展。软物质又称软凝聚态物质(Soft condensed matter)或称复杂流体(Complex fluid)，是指处于固体和理想流体之间的复杂物质，一般由大分子或基团(固、液、气)组成。软物质在纳米到微米尺度(l~1000nm)范围内，通过相互作用可形成从简单的时空序到复杂生命体一系列的结构体和动力学系统。软物质的丰富物理内涵和广泛应用背景引起越来越多物理学家的兴趣，是具挑战性和迫切性的重要研究方向，已成为凝聚态物理研究的重要前沿领域[3] [4]。

我们通常对软物质的理解，直觉是指容易形变的东西。德·热纳取软物质这个名词也是出于这一层通俗易懂的寓意。自然界中软物质无所不在，生命体是最显而易见的一类软物质。生物体的组成部分，如细胞、蛋白质、DNA等基本上都是软物质；日常生活和生产过程中软物质更是广泛存在，如橡胶、墨水、乳液及药品和化妆品，等等。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广泛影响。软物质的基本特性是对外界微小作用的敏感和非线性响应、自组织行为、空间缩放对称性。它与一般硬物质(如金属、陶瓷等) 的运动变化规律有许多本质区别。人们对这一

研究领域的开拓还远未达到较完善的程度，任重而道远[3][5]。

软物质的概念是从物理学视点上研究生物大分子的主要出发点之一，是连接物理学与生命科学的一条重要纽带。应用现代物理学手段，理论与实验相结合，对一些重要的生物大分子及其相互作用的研究，有助于在分子水平上揭示生物大分子结构、运动与功能的关系。物理学手段的不断发展大力促进了生命科学甚至医学研究，例如最近几年发展起来的单分子观测手段和单分子微操纵技术，已经成为了研究生物大分子的相互作用及动力学的重要方法，特别是与荧光技术的结合，使得从前一些无法直接观察到的现象得以澄清[6]。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，如目前正在研究的两种软物质体系：一是研究的电(磁) 流变液，可以用作机电一体控制的元件或部件，如减震器、离合器、机器人等。另一方面是颗粒物质，日常生活中司空见惯，可涵盖各类分离态物质，如沙石、矿物、粮食及其他散态物质等。颗粒物质既类似固体，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。因此，颗粒物质被称为一种新物质类型，成为近年活跃的研究领域[5][7]。

2.软物质的特性[5]

基于以上对软物质概念的相关应用的阐述，我们首先分析软物质的特性，主要概括为以下几个方面：

1.软物质的最主要一个特性是体系对外加的小作用能产生大的响应[8]。物理学家热纳以橡胶为例，说明了软物质的奇异特性[5]。天然的橡胶在空气中易被氧化而破碎，但其经硫化处理后却能成为坚固耐用的材料。热纳指出，天然橡胶的每200个碳原子中，只有1个原子与硫发生反应。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，胶汁变成橡胶，即证明了有些物质会因微弱的作用而改变状态，这就是软物质的奇异特性之一—弱力引起强变化。凡是软物质只要提供相对微弱的作用力，它们就可以发生改变—从形状到性质的改变。德·热纳在他的《软物质和硬科学》一书中，最喜欢举的另一个例子是中国人4000多年前发明的墨汁，碳黑用水调和就可以用来写字，但是放置很久的时间后碳黑就会沉降，不能维持均匀溶解于水中，人们解决的办法是加一点胶在水中，墨汁就能稳定很多年。其中的奥秘直到30年前人们因为了解了聚合物的稳定机制才认识到墨汁能维持稳定的原因，对此作出了完满的解

释，这是因为胶中的长链分子—聚透明脂酸，附着在碳粒上，从而阻挡了碳粒的彼此接近，碳粒因此而不会凝集在一起了。

2.软物质的第二个特点是其具有类似结晶体的有序结构，这可以在生物体、细胞、液晶、聚合物、胶体和颗粒体系中找到大量的例子。一般气体分子之间随机碰撞，相互之间没有相关性，液体分子之间只存在短程相关性，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，液晶就是最好的例子[5] [9] [10]。液晶是一种特殊的有机高分子化合物，液晶具有两个可熔温度，所以液晶材料能在一定温度或浓度的溶液中，既具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性，所以其在显示屏上具有广泛的应用价值。以自然界中无处不在的颗粒状物质为例，整体看来固态小颗粒具有流体的性质，既具备软物质的特性。沙堆模型的自组织临界现象，即倾倒沙子成倒角而堆积，达到饱和，即使在增加一颗沙子也会引发全面崩塌的效应，是一个小的作用能起大的力学响应的例子；另外，风吹沙面，不会抚平沙面，而会使沙面形成有序的沙波纹图案，说明颗粒流体还具有序结构的特性，符合软物质长程有序结构特点；颗粒体系的力结构也很复杂，力顺着力链网络分布的方向传播。因此颗粒物质内部受力是不均匀的，处于力链上的颗粒受到很强的力，而其旁边的颗粒受力可能很弱，甚至不受力。因此，处于力链上颗粒的任何局部的或微小的位置变动都可能引起颗粒体系力分布的很大变化，造成整体的坍塌。对于颗粒物质这些特性的理解，有助于我们对软物质这类开放体系的结构与动力学响应特性的认识[9]。

3.软物质的第三个特点是有复杂的力学响应特性。从化学角度而言，软物质几乎等同于聚合物和胶体。聚合物是由多个小分子通过聚合反应制得的，具有不同的长链状结构，可分为无机聚合物和有机聚合物。了解高聚物的聚集状态对了解高聚物结构与性能关系十分重要，聚合物的聚集态结构指的是大分子链间的排列和堆砌方式，大致可分为晶态和无定形结构。结构规整或链间次价力较强的聚合物容易结晶，如高密度聚乙烯。结构不规整或链间次价力较弱的聚合物如聚氯乙烯等难以结晶，一般为无定形态，无定形聚合物在一定负荷和受力速度下，于不同温度可呈现玻璃态、高弹态和黏流态三种力学状态。不同状态表现出的性能不一样，是软物质研究应用的理论基础。胶体通常由两相或多相物质组成，这种混合物其中一相由微小粒子组成，这些粒子经常是聚合物分子，