软物质物理学能做些什么？(2)

表面活性剂应用在日常生活中的肥皂和洗涤剂中。由于其双亲分子特性，表面活性剂分子倾向存在于油和水之间。因此，如果添加一种表面活性剂到油和水的混合物中，表面活性剂分子倾向于在油和水的界面之间聚集组装。为了容下这些双亲分子，界面面积会增加，相应的油会被表面活性剂包裹成小液滴，分散于水中。这是洗涤剂的基本工作原理 ( 图 6) 。表面活性剂的术语来自：激活表面活性的药剂的缩写。

图 6 由于表面活性剂的功效，油滴在水中的分散

表面活性剂在分散技术中的作用很重要。这是一种利用表面活性剂在一般条件下从不稳定混合物如油和水或者无机颗粒和水中分离出看似均匀材料的技术。标准方法是通过表面活性剂，把材料 “ 打碎” 成细颗粒 ( 粒子或者液滴 ) 。表面活性剂包裹了被分散的材料表面，避免它们聚集。这项技术在很多应用 ( 如化妆品和食物 )中很重要，也可以创造新的功能材料。

液晶

凝聚态物质一般分为两种：分子有序排列的晶态和分子无序排列的液态。对一些特定的材料，分子会形成一种介于晶体和液体中间的半有序态，这种材料叫液晶。

例如，考虑由棒状分子组成的一种材料。在晶态下，分子被均匀地放置在晶格位置并完全对齐，如图 7(a) 所示。在这种态下，存在完全的位置序和指向序。在液态下，分子位置和指向都是随机的 ( 图 7(d)) 。在液晶态中，分子的序介于这两者之间。

图 7 由棒状分子组成的材料的各种相：?(a) 晶体；?(b) 向列型液晶；(c)?近晶相液晶；?(d) 液体

图 7(b)显示了液晶的一类 —— 向列型液晶。这里分子保持了指向序，却没有位置序。向列型液晶是一种拥有空间各向异性的液体：当容器倾斜时会流动，而这种流体是各向异性的，会显示双折射。图7(c) 显示另一类液晶 —— 近晶相液晶。这里，除了有指向序外，还有一种部分位置序：分子规则地沿某一特定方向摆放 ( 图 7(c) 的 z 轴 ) ，然而它们在 xy 平面内的位置是随机的。

向列型液晶由于其光学特性容易通过电场控制，被广泛用于显示器件。液晶光学特性的变化也可以用在传感器上。高强度纤维 ( 用于防弹夹克 ) 是由液晶聚合物制成的，因为液晶中聚合物链具有很强的指向序。

软物质的共性是什么？

正如我们所看到的，软物质是一大类材料?。一个自然的问题是：这些材料的共性是什么？为何在软物质的框架下讨论？

上述材料的共性是它们都由比原子大得多的结构单元构成。聚合物分子一般包含几百万个原子，直径为 0.1μm 的胶体颗粒内含几十亿个原子。构成表面活性剂和液晶的分子不是非常大 ( 仅包含几万个原子 ) ，但是它们能形成有序结构，并且以一个大的单元一起移动：表面活性剂分子形成胶束，以一个整体移动，液晶分子以一个整体转动。

软物质由整体移动的大分子或分子集团构成的事实给予了软物质两个性质。

01

大的非线性响应

软物质对弱作用力具有大响应。由成千上万个原子组成的聚合物分子很容易变形，这给予了橡胶和凝胶柔软性。胶体颗粒形成了很软的固体，应用于化妆品和油漆。正像我们所看到的，液晶的光学性质很容易因电场而改变。这样大的响应不能由力和响应的线性关系来刻画。例如，橡胶可以被拉长成初始长度的百分之几百，它们的力学响应不能由应力和应变之间的线性关系来描述。软物质中非线性响应非常重要。

02

缓慢非平衡响应

软物质的集体行为减缓了它们的动力学。简单流体的响应时间是纳秒量级，然而在聚合物和胶体溶液响应时间可以增长几十亿倍，所以非平衡态的性质或者非平衡态动力学在软物质中的作用很重要。

软物质不属于传统意义上的流体和固体。

例如，泡泡糖，一种聚合物组成的软物质，可以像流体一样被无限拉伸延展，但是当快速拉伸和松弛时，它具有橡胶的行为；凝胶是一种包含大量液体的软固体；液晶是一种类似晶体具有光学各向异性的液体。这些性质在软物质的应用中具有重要意义。玻璃瓶是通过吹一种聚合物液体 ( 像泡泡糖 ) 制成的，凝胶广泛应用于许多工业过程中，液晶则应用于光学器件中。

《软物质物理》旨在从物理的角度介绍这类重要材料。软物质的性质很复杂但是可以用物理的方法理解，这是本书的目的。

软物质有一个共同的特征就是它包含诸如大分子、胶体颗粒、分子集团或者有序分子。我们需要讨论的软物质大小是 0.01 ～ 100μm 。这比原子分子尺度要大得多，但是仍然比宏观力学尺度要小。这个尺度上的物理目前在其他科学和工程领域引起了相当大的兴趣。我确信软物质是学习物理中的关联、相变、涨落、非平衡态动力学等议题的很好出发点，因为软物质是一种我们每天都能看到并接触的材料。

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