学科前沿讲座课程1

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1、学科前沿讲座　　　　　　　　　　　中国矿业大学理学院物理10-03班10104625莫尚伟软物质的研究现状中国矿业大学莫尚伟摘要：主要讲述了软物质的定义、分类、用途、应用领域以及软物质的研究前景。软物质物理已经成为物理学的一个新的前沿学科，是具有挑战性和迫切性的重要研究方向。关键词：软物质；硬物质；物理体系；熵；颗粒物质1991年，诺贝尔奖获得者、法国物理学家德热纳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，得到广泛认可。从此软物质这个词逐步取代美国人所说的“复杂流体”，开始推动一门跨越物

2、理，化学，生物三大学科的交叉学科的发展。软物质如液晶、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。它们与人们生活休戚相关，如橡胶、墨水、洗涤液、饮料、乳液及药品和化妆品等等；在技术上也有广泛应用，如液晶、聚合物等；生物体基本上由软物质组成，如细胞、体液、蛋白、DNA等。在我们日常所说的“软”的概念里，主要的特征就是容易形变。在软物质这个名词里也有类似的含义。　对于软物质德热纳给出一个重要的特征：弱力引起大变化。在他的科普作品《软物质与硬科学》一书中以橡胶为例，说明了软物质的性质。放

3、进一点硫，液态的橡胶树就变成了固态的橡胶；一点骨胶可以使墨汁多年不变质；一点卤汁使豆浆变成豆腐；非常微弱的电流，就能使液晶从透明变成不透明。这些现象告诉我们：你只须施加微小的作用，软物质的形状和性质就会大变。纯天然的橡胶乳液氧化形成了固化的橡胶，但这种橡胶非常不结实，很容易就会因为空气的继续氧化而破碎。而将天然橡胶硫化之后就变得非常的耐用，不容易破碎。与氧同族的硫元素仅仅比氧的化学活性略差一点，但达到的效果却迥然不同。这就是所谓的弱力引起大变化。德热纳在书中写到：“如果你数一数与硫磺反应的碳原子数目，你会发现其只占1/200，

4、这是一个具有代表性的数据。然而，这种及其微弱的化学反应已经足可以引起物质的物理状态从液态变到固态：流体变成了橡胶。这证明物质状态能够通过微弱的外来作用而改变状态，就如雕塑家轻轻地压一压大拇指就能改变粘土的形状。这便是软物质的核心和基本定义【1】。”软物质运动规律和行为主要不是由量子力学和相对论的基本原理直接导出，而是由内在特殊相互作用和随机涨落而引起，软物质的许多新奇行为、丰富的物理内涵和广泛的应用背景引起越来越多物理学家的兴趣。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。物理体系的状态可以

5、由体系的内能以及熵与温度的乘积来共同描述。由于内能的变化与体系受力相关，那么在一定温度下，对于软物质，如果受到的力不大，那么其内能的改变也不会大，而在这样的弱力作用下，又要求体系发生比较大的变化，那么就一定得要求它的熵变化剧烈。也就是说，在软物质中体系的变化主要是由熵引起的，或者说熵占据了主导地位。这样软物质就可称作是由熵操纵的物质。在熵力的作用下，软物质体系会出现很多新奇的行为，比如原本混乱的微观体系会变得井然有序，复杂的蛋白质分子会自行折叠成特殊的结构等等。利用这些性质，我们可以制造许多有特殊性质的软材料，它们是硬材料难以

6、取代的。20世纪的物理学开拓了对物质世界的新认识，研究和深入认识了“硬物质”，如金属，半导体，陶瓷等等，对于技术和社会产生了巨大推动作用。21世纪被称为生命科学的世纪，然而，任何生命结构（DNA、蛋白质等等）却正是建立在软物质的基础上。作为人类未来技术中的重要组成部分以及生命本身不可或缺的基石，软物质的许多新奇行为、丰富的物理内涵和广泛的应用背景引起越来越多物理学家的重视与研究。软物质与一般硬物质（如金属、陶瓷等）的运动变化规律有许多本质区别。例如：拉伸橡皮的恢复力是熵力所致，与拉伸弹簧的恢复力明显不同；双亲分子的界面作用与其

7、他物质界面有很大差别；生命物质的活性不能用普通物质的运动规律去理解等等。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。以我国目前正在研究的两种软物质体系为例：我们研究的电（磁）流变液，是固体粉末与液体混合物体系，通过改变施加的电场（或磁场）强度，可连续调节其软硬程度，且响应时间很快，这种奇特性质，有重要应用前景，可以用作机电一体控制的元件或部件，如减震器、离合器、制动器、机器人等。再如，我们正在研究的颗粒物质，日常生活中司空见惯，可涵盖各类分离态物质，如沙石、泥土、矿物、粮食及其他散态物质等。塌方、泥石流、雪崩及河流

8、浮冰积堵等自然灾害现象，以致公路上车辆流动规律等均属于研究对象。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【2】被称为一种新物质类型，成为近年活跃的研究领域。颗粒物质在自然界、日常生活及生产和技术中普遍存在。例如：自然界中的沙