软物质物理学能做些什么？

什么是软物质？

软物质是包括聚合物、胶体、表面活性剂和液晶的一类物质，在我们日常生活和现代技术中不可替代。

举几个例子

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凝胶和乳霜是我们日常经常使用的软物质

塑料、纺织品和橡胶广泛应用于住宅、汽车以及其他工业产品

液晶被用于显示器件

集成芯片制造过程中使用了光响应的聚合物材料

甚至人体自身都是由软物质组成的，许多软物质材料被用于医学治疗

聚合物

聚合物是由某种化学单体组成的长的丝状分子，单体按顺序连接，见图1 。一个聚合物分子中单体数目一般是几千个，也可以是几千万个。聚合物是现代技术中不可或缺的材料，可以用作塑料、橡胶、薄膜和织物。

聚合物也是生命体的基本分子。生命的运行是通过由氨基酸组成的自然聚合物蛋白质实现的。生命的基因信息被刻录在另一类重要的生物高分子 ——DNA 上。

图1 ?(a) 单体；(b) 聚合物

在聚合物中，通过改变单体类型和它们的连接方式就可以产生一系列的材料。聚合物一般是丝状的，见图 2(a) ，但是可以导入如图 2(b) 一样的分支，聚合物链也可以如图 2(c) 一样交错。塑料一般是由丝状聚合物构成的 ( 图 2(a)) 。它们可以变成液态，注塑成想要的形状。另一方面，橡胶是由交错的聚合物链组成的( 图 2(c)) ，由于交错连接，橡胶不能流动。在外力作用下它们改变形状，但是撤走外力时它们会恢复成原来的形状。分叉聚合物 ( 图 2(b)) 是中间态，像是可以流动的橡胶材料。黏性胶带所用的黏性剂是由分支聚合物组成的，介于液态和橡胶态之间。

图2 由相同单体组成的不同连接方式的各种聚合物：(a) 线性聚合物；(b) 分叉聚合物；(c) 网络聚合物

胶体

胶体是微小的固体颗粒或者分散于另一种液体中的液滴。胶体颗粒的特征直径介于 1nm 和 1μm 之间，远大于原子尺度。

日常生活中可见到胶体。牛奶是一种胶体溶液，是直径为 0.1μm 分散于水中的营养颗粒 ( 由脂肪和蛋白质组成 ) 。

由固体颗粒组成的胶体悬液是液体，在低颗粒密度下可以流动，在高颗粒密度下变成固体状并停止流动。例如，水彩在水中溶解成液体，干后成固体。这种液态叫做溶胶，固态叫做凝胶 ( 图 3) 。

图 3 球状胶体的各种相：?(a) 溶胶；?(b) 凝胶；?(c) 晶体表面活性剂

不用改变颗粒浓度就可以诱发溶胶到凝胶的相变。通过添加适当的化学试剂到胶体溶液，改变胶体颗粒间的相互作用，从而导致溶胶到凝胶的转变。例如，当添加醋到牛奶时，牛奶变得很黏而失去流动性。这是由于添加醋后牛奶颗粒因相互作用变成吸引力而导致团聚引起的。

胶体的固化通常因颗粒的随机团聚而发生，见图3(b) 。如果将颗粒制备成相同大小和形状，团聚可以变成规整结构，很像原子晶体，见图3(c) 。这样的胶体晶体和原子晶体的 X 射线衍射一样会显示很强的光衍射。由于胶体晶体的晶格常数在 0.5μm 量级，所以通过散射衍射显现出彩虹色。

很多种胶体颗粒具有一系列的形状 ( 球状、棒状或者蝶状 ) 和表面性质，应用于日常生活和工业生产。

作为典型的例子，油和水是敌对的一对。通常材料被分为亲水或者亲油。溶于油的材料通常不溶于水，也就是亲油材料通常是疏水的，反过来也一样。表面活性剂是一种特殊类别的所谓两亲性材料，同时溶于水和油。表面活性剂分子由两部分组成：亲水部分和疏水部分 ( 图 4(a)) 。表面活性剂分子可以溶解于水，形成图4(b) 所示的结构，亲水部分暴露在水中，把疏水部分包裹起来。这种分子集团叫做胶束。另一方面，表面活性分子可以通过暴露疏水端于油中、藏匿亲水端于反胶束内侧而溶于油中 ( 图 4(c)) 。

图4(a)表面活性剂分子；?(b) 水中形成胶束；?(c) 油中形成反胶束

根据表面活性剂的不同，胶束可以取不同的形状，包括球形、圆柱形、层状( 图 5) 。球形胶束一般包含几十个分子，但柱状和层状胶束可以大得多，达到百万分子或者数十亿分子的量级。虽然胶束的大小和形状主要由表面活性剂分子的结构所决定，但它们会依赖于环境、溶剂类型、温度和表面活性剂浓度等而发生变化。

图 5 由表面活性剂形成的各种胶束结构：?(a) 球形；?(b) 圆柱形；?(c) 层状

文章来源：《中国医学物理学杂志》 网址: http://www.zgyxwlxzz.cn/zonghexinwen/2021/0315/494.html