[科普中國]-軟凝聚態(tài)物質(zhì)物理學

軟凝聚態(tài)物理以復雜流體、液晶、多層膜、蛋白質(zhì)的折疊等為研究對象。軟凝聚態(tài)物理學的誕生，以法國著名物理學家P．G．de Gennes 1991年獲得諾貝爾物理學獎為標志。當年，P．G．de Gennes提出軟物質(zhì)的概念，以后每年發(fā)表于各類物理學雜志的有關(guān)軟物質(zhì)的論文逐年增加。從此軟物質(zhì)研究作為物理學的一個重要研究方向得到了廣泛的認可。

概念軟物質(zhì)是指其某種物理性質(zhì)在小的外力作用下能產(chǎn)生很大變化的凝聚態(tài)****物質(zhì)，典型的例子包括液晶、高分子體系、膠體、微乳液等。軟物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)主要不是由內(nèi)能，而是由熵來決定。文章較通俗地介紹了軟物質(zhì)的概念。仔細分析了熵在軟物質(zhì)中所起的作用。同時詳細介紹了聚合物體系、膠體及生物膜等幾種典型的軟物質(zhì)。通過硫化橡膠和無管虹吸等十分有趣的例子，說明了聚合物對流變性質(zhì)的影響；通過分析硬球膠體的相變及相分離等行為說明了熵力的概念；仔細分析了電穩(wěn)定膠體的相互作用。并介紹了DLVO理論以及近年來發(fā)現(xiàn)的對這一理論的偏離,特別是約束條件下同號帶電膠球的長程吸引相互作用及其對此現(xiàn)象的一些解釋；對生物膜也作了初步介紹。人們對軟物質(zhì)的研究和理解目前還處于一個非常原始的階段，深入研究和理解軟物質(zhì)的各種性質(zhì)必將促進人類對自然和人類自身的認識。

簡言之，軟物質(zhì)是處于固體與理想流體的復雜態(tài)物質(zhì)，軟物質(zhì)對于外界微小擾動的敏感性、非線性相應、自組織行為等特征，決定了此類物質(zhì)與通常的固體、氣體和液體大不相同。軟物質(zhì)具有流體熱漲落和固態(tài)的約束共存的新行為。體現(xiàn)了其組成、結(jié)構(gòu)和相互作用的復雜性和特殊性。軟物質(zhì)的豐富內(nèi)涵和廣泛的應用背景引起越來越多物理學家的興趣，是具挑戰(zhàn)性和迫切感的重要研究方向，已成為凝聚態(tài)物理研究的重要前沿領(lǐng)域。

軟物質(zhì)領(lǐng)域廣闊、內(nèi)容豐富，涉及幾乎所有的現(xiàn)代探測手段，如：原子力顯微鏡、掃描近場光學顯微鏡、共聚焦顯微鏡、低溫電鏡、X射線、中子散射、單分子操縱與檢測、熒光技術(shù)等等。目前，對其研究已從宏觀水平深人到分子級水平，尤其對其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究已有很大進展。但是由于相應體系的極端復雜性，人們對于軟物質(zhì)的研究正方興未艾。1

種類膠體與高分子軟物質(zhì)材料膠體與高分子材料的結(jié)構(gòu)和性能的設(shè)計與控制在軟物質(zhì)科學研究中占有重要地位。“軟物質(zhì)”概念的提出使膠體物質(zhì)和軟性高分子材料的界限變得愈來愈模糊，兩者的科學內(nèi)容在‘軟物質(zhì)’的大框架內(nèi)相互滲透；在納米科技需求的驅(qū)動下，兩者都得到了快速的發(fā)展。傳統(tǒng)的高分子膠體是由單體通過乳液或微乳液聚合得到的，如今通過已有聚合物的自組裝構(gòu)建具有規(guī)則結(jié)構(gòu)的軟物質(zhì)，已成為高分子和膠體科學研究中十分重要和有很好前景的主題?！败浳镔|(zhì)”的“弱擾動引起大變化”特征在材料制備和結(jié)構(gòu)構(gòu)筑領(lǐng)域有著重要意義。

生物體系中的軟物質(zhì)軟物質(zhì)在生物體系中無處不在。生物膜、細胞中蛋白質(zhì)的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)的折疊等均是軟物質(zhì)特性的反映。經(jīng)過自然進化和選擇，生物體系中軟物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性能具有最優(yōu)化特性。生物體系中的一些現(xiàn)象至今尚不能為人們所理解和復現(xiàn)，實現(xiàn)仿生一直是材料學家的夢想。探討生物體系中的一些軟物質(zhì)現(xiàn)象和問題將對了解生命現(xiàn)象、生命遺傳過程中出現(xiàn)的問題和缺陷以及對新材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能控制等都具有重要的啟發(fā)意義。

研究內(nèi)容低維物理和介觀物理以量子阱、量子線、量子點、納米環(huán)等為代表的低維結(jié)構(gòu)，由于它們至少有一個維度的尺寸小到納米尺度范圍，故電可稱為低維納米結(jié)構(gòu)。

低維物理的研究對象當前以量子點最為活躍和最受關(guān)注，而“量子點結(jié)構(gòu)”與當前正在興起的‘‘納米結(jié)構(gòu)”有著幾乎相同或相近的范圍和含義。納米結(jié)構(gòu)指尺度在1～100 nm范圍內(nèi)的原子集合體，它的大小介于分子和微米結(jié)構(gòu)之間。

所以可以說，低維物理同納米結(jié)構(gòu)物理有著某種平行和共生的關(guān)系。

在低維物理中，量子點研究的進展非常迅速，表明它已成為低維材料科學與技術(shù)中最引人注目的前沿。究其原因，首先是因為它將對新一代量子功能器件的設(shè)計與制造產(chǎn)生革命性的影響。2

低維納米材料納米材料的制備技術(shù)在當前納米材料科學研究中占據(jù)極為重要的地位。其關(guān)鍵是控制顆粒的大小和獲得較窄的粒度分布。所需的設(shè)備也盡可能結(jié)構(gòu)簡單、易于操作。制備要求一般要達到表面潔凈，粒子的形狀及粒徑、粒度分布可控（防止粒子團聚），易于收集，有較好的熱穩(wěn)定性，產(chǎn)率高等幾個方面。

磁學與磁性材料目前磁性材料的發(fā)展以躍進的態(tài)勢進行。僅以磁存儲材料為例，其存儲信息密度以每30年1000倍的速度在增加。永磁體的磁能積也在急劇增加。因為相關(guān)性能的跳躍增加，因此每每發(fā)現(xiàn)的新磁性材料，冠以“巨”字詞頭，如巨磁矩材料、巨磁電阻材料、巨磁光偏轉(zhuǎn)材料、巨磁致伸縮材料，等等。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

李航 - 副教授 - 西南大學