高分子凝聚态物理及其进展

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1、高分子凝聚态物理及其进展高分子凝聚态物理及其进展绪论（Introduction）§0-1高分子凝聚态物理基本概念自从二十世纪二十年代H.Staudinger提出“大分子（macromolecule）”概念以来，高分子科学取得突飞猛进的发展。在高分子科学中，高分子凝聚态物理学始终是其最重要的组成部分之一。所谓凝聚态，是指由大量原子或分子以某种方式（结合力）聚集在一起，能够在自然界相对稳定存在的物质形态[1]。高分子凝聚态物理学即是以现代凝聚态物理学中的新概念、新理论、新实验方法与高分子材料和高分子科

2、学的特点相结合，用以说明、理解高分子材料复杂的结构、形态、分子运动、各种特殊的聚集状态及其相态转变，以及这种结构、相态特点与大分子聚合物作为材料使用时所体现出的特殊性能、功能间的关系。近年来，高分子凝聚态物理学又出现新的发展高峰。随着现代凝聚态物理学的发展，大量新观点、新思想、新的研究方法纷纷被引用到高分子物理学的研究中，成为高分子科学新的研究前沿[2,3,4,5]。比较有代表性的研究成果有：大分子单链凝聚态和单链单晶；软物质概念及高分子材料的软物质特征；大分子蛇行蠕动模型及对分子链缠结现象的说明

3、；聚合物相变中的亚稳态现象和临界现象；分子间相互作用力及超分子组装和自组装；逾渗模型及其在高分子科学中的应用等，每一领域都包含丰富的研究内容，揭示出许多新的有趣的现象和规律。法国科学家P.G.deGennes是现代高分子凝聚态物理研究的集大成者。他所著作的“高分子物理学中的标度概念”以极其简明的语言和普适的幂函数规律深刻揭示了大分子特有的运动形式和规律，成为当今高分子物理学的经典名著。他在其诺贝尔奖获奖典礼上以“软物质”（softmatter）[5]为题总结了现代高分子凝聚态物理的研究成果和研究前

4、沿。从字面理解，软物质是指触摸起来感觉柔软的那类凝聚态物质。严格些讲，软物质是指相对于弱的外界影响，比如施加给物质瞬间的或微弱的刺激，都能作出相当显著响应和变化的那类凝聚态物质。从结构看，软物质在其柔软的外观下存在着复杂的相对有序的结构，其结构常常介于固体与液体之间。一方面从宏观尺度看，它没有象晶体那样的周期性结构，在原子分子尺度上结构可能是完全无序的；另一方面在介观尺度下，它又存在一些规则的受约束结构，由此决定着其独特的“软物质”性质。简单液体不会是软物质，而高分子材料、液晶材料及生物有机材料等

5、都具有典型的软物质特性。比如高分子材料常常因其结构的细小变化而引起体系宏观性质的巨大变异（如硫化、结晶、熔体剪切变稀等）。从这个观点出发，高分子凝聚态物理的研究上升到一个新的高度。普通物质在标准条件下存在固（晶）、液、气三态。在特殊条件下（超高温、超高压、超真空等）还能以等离子态、中子态等形式存在。这些相态在一定外部条件下能相互转变，凝聚态物理学就是研究物质的相态及其相态之间的转变规律的科学。9高分子凝聚态物理及其进展高分子材料因其结构的特殊性具有比通常物质丰富多彩的存在状态：除有结晶态（不同的晶

6、型）、粘流态外（高分子材料没有气态），还有玻璃态、高弹态、共聚、共混态（能否稳定存在？）、取向态、液晶态等。这些状态下的分子运动及相互转变规律均与小分子物质不同，因此高分子凝聚态物理有其独特的研究兴趣和研究方法。比如一般地说，对小分子物质，单个分子或少数几个分子聚集在一起不足以构成一个相态。然而单个大分子能否成态？是否存在单分子链凝聚态和单分子链晶体？到底多少个大分子聚集在一起才能称作一个“相态”？才能体现相的特征？单个分子反映出来的性质（稀溶液）应该与大量分子凝聚态的性质（浓厚体系）不同，如何不

7、同？又比如高分子材料的特点之一是其物理力学性能不完全取决于它们的化学结构。化学结构一定的高分子可以由于不同的聚集状态（凝聚态结构）而显示出不同性质。这不同的凝聚态又大多是由于不同的加工成型方法而造成的，因此高分子凝聚态物理实际上与高分子材料工程密切相关。最新的研究进一步表明，即使是化学结构和聚集态结构已定的高分子材料还可以由于它们处在各种不同的激发态而显示出全新的性能来。如高分子材料的非线性光学性能，掺杂使高分子变成半导体、导电体等。高分子材料科学越来越依赖于众多的固体物理和凝聚态物理的基本知识。

8、§0-2现代高分子凝聚态物理的基本观点按现代凝聚态物理的观点，聚合物体系属于软物质（softmatter）或复杂流体（complexfluids），它具有许多不同于其他物质的特性：如平衡态由熵效应决定而不是如其他物质体系由内能效应决定、多自由度、复杂的拓扑结构、标度性、非晶态固体结构，以及特有的线性和非线性粘弹性等，是最具有实际应用意义的材料体系。合成高分子多具有链式结构，它是由多个小分子（103—105）作为结构单元以共价键结合而形成的；整个分子链具有复杂的拓扑结构；合成高分子凝