圖1 1991年諾貝爾獎(jiǎng)得主德 熱納

 

對軟物質(zhì)的通俗理解，是指容易形變的東西。盡管通俗地說軟物質(zhì)很容易，但要對軟物質(zhì)下嚴(yán)挌的定義卻十分困難。德 熱納當(dāng)年的定義是對小作用起大響應(yīng)的所有物理化學(xué)體系?！盾浤蹜B(tài)物質(zhì)》^[10]一書的作者英國謝菲爾德大學(xué)物理系教授理查 瓊斯，則將所有處于簡單流體和結(jié)晶物體之間的物質(zhì)稱為軟物質(zhì)。
軟物質(zhì)與人們生活密切相關(guān)，在技術(shù)和生產(chǎn)上有廣泛應(yīng)用背景，是多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，更是通向研究生命體系的橋梁。目前，軟物質(zhì)研究已成為物理學(xué)、化學(xué)、力學(xué)和生命科學(xué)的重要前沿學(xué)科。軟物質(zhì)是復(fù)雜體系，與固體和液體有不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，需要我們深入認(rèn)識(shí)。
21世紀(jì)被認(rèn)為是生命科學(xué)的世紀(jì)，因?yàn)槿魏紊锝Y(jié)構(gòu)（包括DNA、蛋白質(zhì)和生物膜）都是建筑在軟物質(zhì)的基礎(chǔ)上。所以，從物質(zhì)劃代角度來看，二十一世紀(jì)也是軟物質(zhì)的世紀(jì)。

 弱力強(qiáng)反應(yīng)
弱力強(qiáng)反應(yīng)是軟物質(zhì)的重要特性，曾被德 熱納當(dāng)年用作軟物質(zhì)的定義。弱力強(qiáng)反應(yīng)是指：對外界微小作用的敏感性，即小的外加物理、化學(xué)作用能夠促使力學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化，以便更好地適應(yīng)系統(tǒng)所在的環(huán)境。
德 熱納舉了印第安人橡膠靴子(圖3)的例子，2500年前，亞馬遜河流域的印第安土著就懂得用白色的橡膠樹的乳汁涂在腳上做靴子，20分鐘后就凝固成為一雙靴子，但這種靴子只能穿一天，由于空氣氧化，純天然的橡膠靴很快就破碎了。

直到1839年，美國人固特異發(fā)明了橡膠硫化處理技術(shù)，才使橡膠成為堅(jiān)固耐用的材料。橡膠的硫化是一種極其微弱的化學(xué)反應(yīng)，天然橡膠的每200個(gè)碳原子中，只有1個(gè)原子與硫發(fā)生反應(yīng)(圖4)。盡管化學(xué)作用如此微弱，卻足以使物質(zhì)的物理性質(zhì)發(fā)生從液態(tài)到固態(tài)的巨大變化，膠汁變成了橡膠。這證明：有些物質(zhì)會(huì)因微弱的作用而改變狀態(tài)。于是橡膠就成了一個(gè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的聚合物。空氣中的氧可使橡膠長鏈分子斷裂，而與氧同族的硫元素僅僅比氧的化學(xué)活性略差一點(diǎn)，卻使長鏈分子結(jié)合得更好，這就是軟物質(zhì)的一個(gè)奇異特性：弱力引起強(qiáng)變化反應(yīng)。

德 熱納還喜歡舉的一個(gè)例子是中國墨汁，碳黑用水調(diào)了就可以用來寫字，但是放置后碳黑會(huì)沉降，解決的辦法是加一點(diǎn)膠在水中，墨汁就穩(wěn)定了。因?yàn)槟z中的長鏈糖分子——聚透明質(zhì)酸，附著在碳粒的幾個(gè)點(diǎn)上，從而阻擋了碳粒的彼此接近，而碳粒就不能凝集在一起了。德 熱納說：“中國墨汁發(fā)明了4000多年后，才得到這份完滿的解釋，那還不過是十年前，因?yàn)榱私饬司酆衔锏姆€(wěn)定機(jī)制才獲得的解釋，發(fā)明與獲得解釋之間，前后相差數(shù)千年。這說明，發(fā)明要遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于解釋的出現(xiàn)。再則，解釋的產(chǎn)生跟發(fā)明一樣，都是經(jīng)過崎嶇彎曲的長路，一路上不斷有人嘗試和失敗，直至最終找到正確的解釋?！?

復(fù)雜的力學(xué)響應(yīng)特性
軟物質(zhì)有復(fù)雜的力學(xué)響應(yīng)特性。
以聚合物(圖6)為例，在不同的溫度、不同的受力狀態(tài)下，可呈現(xiàn)玻璃態(tài)、高彈態(tài)、黏流態(tài)等三種力學(xué)狀態(tài)。當(dāng)聚合物處于玻璃態(tài)時(shí)，呈現(xiàn)為一般的硬物質(zhì)特性。當(dāng)聚合物處于高彈態(tài)時(shí)，表現(xiàn)出軟物質(zhì)高形變能力的高彈性。當(dāng)溫度升高時(shí)，聚合物會(huì)熔融為黏彈性流體，筆者關(guān)于非牛頓流體的奇妙特性談到的射流脹大，爬桿效應(yīng)(圖5)，無管虹吸，剪切變稀，湍流減阻，撥絲性等，都會(huì)出現(xiàn)。



在對剪切的響應(yīng)方面，攪和牛奶、血液、黏土、潤滑油等觸變性軟物質(zhì)，會(huì)出現(xiàn)剪切變稀現(xiàn)象，即其黏度隨攪動(dòng)時(shí)間增長而減小。筆者曾寫過一篇“腱鞘嚢腫冶愈記—漫談材料的觸變性”，討論過這一問題。而蕃茄醬、蜂密、芝麻醬、油漆、石膏、濃糖液、勾芡汁等震凝性軟物質(zhì)，則出現(xiàn)剪切致稠，即越攪和越稠，軟物質(zhì)的黏度會(huì)隨攪動(dòng)的時(shí)間增長而變大。
軟物質(zhì)的時(shí)間與空間尺度
 人們無法從單個(gè)原子或分子的排列結(jié)構(gòu)和性質(zhì)推知系統(tǒng)整體的物理性質(zhì)，它與傳統(tǒng)的晶體不一樣，因?yàn)檫@些軟物質(zhì)系統(tǒng)最小的功能單元不再是原子或分子，而是包含大量原子或分子的顆粒等在介觀尺度范圍內(nèi)的介觀結(jié)構(gòu)。
軟物質(zhì)的時(shí)間與空間尺度的范圍跨度很大，在介觀尺度（約10-10000nm）的范圍內(nèi)(圖7)，通過相互作用可形成從簡單的時(shí)空有序到到復(fù)雜生命體系列的結(jié)構(gòu)體和動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。




液晶
作為軟物質(zhì)的例子，介紹一下液晶(圖8)。
液晶是介于各向同性的液體和各向異性的晶體之間的一種物質(zhì)。通常固態(tài)物質(zhì)加熱到熔點(diǎn)就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，但是液晶當(dāng)溫度升高到熔點(diǎn)后并不馬上轉(zhuǎn)為液態(tài)而是處于一種過渡狀態(tài)，表現(xiàn)出一種介于固態(tài)與液態(tài)之間的性質(zhì)，既有雙折射這樣固體的性質(zhì)，又有流動(dòng)性這樣液體的性質(zhì)。 當(dāng)溫度再進(jìn)一步升高到某數(shù)值后，才轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。
圖8 液晶
液晶對于各種外界因素（熱、電、磁、光、聲、應(yīng)力：幅射等）的微小變化都很敏感，很小的外界能量就能使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使相應(yīng)的功能發(fā)生變化。
液晶顯示器(圖9)的廣泛應(yīng)用，扱大的引發(fā)人們對軟物質(zhì)研究的興趣。

結(jié)語：軟物質(zhì)是多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，更是通向研究生命體系的橋梁。軟物質(zhì)力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)新興方向，無疑是力學(xué)學(xué)科新的生長點(diǎn)之一，有可能挖掘出傳統(tǒng)力學(xué)框架解決不了的問題，值得我們關(guān)注和研究。

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10理查 瓊斯(Richard.A.L.Jones)著, 軟凝聚態(tài)物質(zhì),北京: 科學(xué)出版社,2008

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WANG？ Zhendong JIANG Nan

(Department of Mechanics,Tianjin University, Tianjin,300072)