[科普中國]-軟物質(zhì)

軟物質(zhì)（soft matter）是指處于固體和理想流體之間的物質(zhì)。又稱軟凝聚態(tài)物質(zhì)。一般由大分子或基團(tuán)組成，包括液晶、聚合物、膠體、膜、泡沫、顆粒物質(zhì)、生命體系物質(zhì)（如DNA、細(xì)胞、體液、蛋白質(zhì)）等?？梢允枪蹋夯旌衔铩⒁海夯旌衔?、氣－液混合物等。在自然界、生命體、日常生活和生產(chǎn)中廣泛存在。隨處可見的橡膠、膠水、墨汁、洗滌劑、涂料、化妝品、食品等都屬于軟物質(zhì)。1

特性軟物質(zhì)的基本特性是對外界微小作用的敏感和非線性響應(yīng)、自組織行為、空間縮放對稱性等。流體熱漲落和固態(tài)的約束共存導(dǎo)致了軟物質(zhì)的新行為，體現(xiàn)了其復(fù)雜性及特殊性。軟物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、相互作用及其宏觀性質(zhì)與普通固體、液體和氣體大不相同。1
軟物質(zhì)對外界微小作用的敏感是軟物質(zhì)之“軟”的含義來源。軟物質(zhì)的“軟”是指受很小的外界作用會產(chǎn)生大的變化的特性。這種外界作用因?qū)τ诓煌w系而不同，可以是力、電、磁、熱、化學(xué)擾動和摻雜等。如加一點(diǎn)鹵水可使豆?jié){變成豆腐；加一些骨膠就可使墨汁穩(wěn)定而不沉淀；非常小的電場可容易地改變液晶分子顯示的狀態(tài)；硫化橡膠是通過摻入微量硫（硫原子和碳原子之比為1∶200）而使其由液體轉(zhuǎn)變成了有彈性的固體。不過幾乎所有軟物質(zhì)在力學(xué)性質(zhì)上來衡量也確實(shí)是軟的物質(zhì)。1
軟物質(zhì)與簡單流體和固體對比，可看出它們之間的構(gòu)成和組態(tài)的區(qū)別。簡單流體中的分子可自由地變換位置 ，位置互換后的性質(zhì)不發(fā)生變化。而理想固體的分子的位置是固定的。軟物質(zhì)則具有復(fù)雜的情況，有些是大分子或基團(tuán)內(nèi)的分子受到約束，不可自由互換。大分子或基團(tuán)其間是弱連接，如聚合物溶液、液晶、膠體和顆粒物質(zhì)等；有些是基團(tuán)內(nèi)外分別是可以互換的流體分子，而基團(tuán)內(nèi)外它們不可以互換，如液－液混合物和氣－液混合物。1
以果凍和冰為例，比較軟物質(zhì)和硬物質(zhì)之間的差異。果凍是由明膠分子和水組成，明膠分子通過水而弱連接在一起，因而很柔軟，有較大的彈性。冰的硬性和強(qiáng)度起因于它的分子組成。冰中H2O分子是一個個緊密堆積的 ，分子間有強(qiáng)的相互作用，需要很大的作用力才可使冰發(fā)生變化。很強(qiáng)的擠壓會破壞冰中原子間的結(jié)合，出現(xiàn)脆性破裂。冰是硬物質(zhì)，果凍是軟物質(zhì)。水是具有一定體積而不能保持自身形態(tài)的物質(zhì)，任何切變力都會使其產(chǎn)生流動。而果凍則可保持一定的形狀，不會隨意流動，或需要很長時間才會發(fā)生緩慢的變形或流動。軟物質(zhì)“軟”的原因還與其組成分子聚集態(tài)的復(fù)雜性有關(guān)。以液晶為例，向列相分子的質(zhì)心體現(xiàn)液體相，而其長軸的取向體現(xiàn)晶體相；近晶相液晶其分子的質(zhì)心在一個平面上體現(xiàn)液體相，而在垂直方向上體現(xiàn)晶體相；而橡膠分子在微觀局域態(tài)是液體，但宏觀則體現(xiàn)為固體。因此，通常的固體屬于硬物質(zhì)，而一般的由小分子組成的液體和溶液也不是軟物質(zhì)。有人將普通液體（如水）和溶液稱為超軟物質(zhì)。1

結(jié)構(gòu)特征自組織是軟物質(zhì)的基本特性，軟物質(zhì)不具有旋轉(zhuǎn)對稱性或平移對稱性，而形成特殊的相干序，具有空間膨脹對稱性，或稱縮放對稱性。聚合物分子在溶液中的每一片段都會以無規(guī)行走的形式相對于它的前一片段隨機(jī)擴(kuò)展 ，無規(guī)行走步與步間的關(guān)聯(lián)是無規(guī)的，而步在空間上的分布卻并非無規(guī)，表現(xiàn)出自組織行為。膠體中顆粒的集聚也是如此，相鄰顆粒無規(guī)地連接，而整體是有規(guī)的分布。但它的密度并非像一般固體或液體那樣的均勻分布，而以隨距離減小的規(guī)律分布，呈分形行為。用不同放大率觀察聚合物分子溶液和膠體中顆粒的聚集，只要不放大到能看到分子組分，則不同放大倍數(shù)的圖像看上去是一樣的，即具有空間縮放對稱性。幾乎所有軟物質(zhì)都遵從這種規(guī)律。有些自組織形式出現(xiàn)在單個分子內(nèi)，如DNA分子，它能承受扭轉(zhuǎn)和彎曲，分子中某一點(diǎn)上的機(jī)械扭轉(zhuǎn)，都會使分子的形態(tài)發(fā)生整體的改變。1
硬物質(zhì)中原子間相互作用的內(nèi)能對自由能的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)超過熵，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)能決定，熱漲落只起微擾作用。但對于軟物質(zhì)，構(gòu)成單元間的相互作用弱，構(gòu)形發(fā)生變化時內(nèi)能幾乎不發(fā)生改變。這意味著外部的微小擾動容易產(chǎn)生復(fù)雜的變形和流動，熱漲落對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為有極大影響，即系統(tǒng)的特性在很大程度上取決于系統(tǒng)的熵。拉伸彈簧的恢復(fù)力由原子間的相互作用所決定，是硬物質(zhì)的特性。

而橡皮這類軟物質(zhì)拉伸前后的情況很不一樣：未拉伸的橡皮中聚合物分子處于卷曲狀態(tài)，熵很大，總能量低；而拉伸的橡皮中聚合物分子被拉直，熵減小，能量增大。因此，拉伸橡皮的恢復(fù)力是“熵力”所驅(qū)動。1在“熵力”的作用下，軟物質(zhì)體系會出現(xiàn)很多新奇的行為，比如原本混亂的微觀體系會變得井然有序，復(fù)雜的蛋白質(zhì)分子會自行折疊成特殊的結(jié)構(gòu)等。利用這些性質(zhì)，可以制造許多有特殊性質(zhì)的軟材料，它們是硬材料難以取代的。

軟物質(zhì)的基本特征可總結(jié)為“小作用，大變化”，即在外界微小的作用下可能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)或性能上的顯著變化。對于不同體系，這種外界作用可以是力、熱、電、光、磁及化學(xué)擾動和摻雜等。許多軟物質(zhì)材料具有特殊的物理性能，或在特定的外界刺激下顯示出特殊的性能，我們稱之為功能軟物質(zhì)材料。例如：電流變液/磁流變液在電場/磁場作用下黏度可發(fā)生巨大的變化，可稱之為電/磁響應(yīng)功能軟物質(zhì)材料。1

四種常見材料功能軟物質(zhì)材料一般由功能性大分子或基團(tuán)組成，通常是高分子材料或復(fù)合材料。本文主要介紹4種常見的功能軟物質(zhì)材料：液晶、功能膜、水凝膠及復(fù)合功能材料。

1 液晶材料

液晶是一種為大多數(shù)人所熟知的功能軟物質(zhì)材料。某些物質(zhì)在熔融狀態(tài)或被溶劑溶解之后，失去固體的剛性，同時獲得液體的易流動性，并保留著部分晶態(tài)物質(zhì)分子的各向異性，形成一種兼有晶體和液體的部分性質(zhì)的中間態(tài)。這種由固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)化過程中存在的取向有序流體稱為液晶。能形成液晶的物質(zhì)通常在分子中具有剛性結(jié)構(gòu)，習(xí)慣上稱為液晶基元。液晶基元通常是棒狀或盤狀，有利于分子的有序堆積。按照分子量的大小，可以將液晶分為小分子液晶和高分子液晶。高分子液晶的分子內(nèi)存在剛性結(jié)構(gòu)，分子間作用力大，容易形成有序堆積結(jié)構(gòu)，因此結(jié)晶度高，力學(xué)性能好，物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。其有序性可以將分子的折射率、偶極矩、磁化率、剪切黏度、旋光性等微觀特征宏觀化，表現(xiàn)出特殊的光、電、磁和力學(xué)效應(yīng)。另外，高分子液晶的相態(tài)結(jié)構(gòu)受環(huán)境因素影響顯著，如溫度、溶劑、電場和磁場等，調(diào)整這些因素可以改變材料的晶相結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變材料的相關(guān)屬性。目前廣泛使用的液晶電視，就是利用液晶里的晶體在電場作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)或扭轉(zhuǎn)，使液晶屏的透光率改變，產(chǎn)生像素單元的明暗變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)顯示功能的。高分子液晶的這些特殊物理化學(xué)性質(zhì)也使其在高性能工程材料、圖像顯示材料、溫度和化學(xué)敏感器核心材料、非線性光學(xué)材料和壓電材料等方面有重要的應(yīng)用。

復(fù)旦大學(xué)俞燕蕾等設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的側(cè)鏈液晶高分子材料，實(shí)現(xiàn)了精確光控微量液體運(yùn)動。這種液晶高分子的主鏈具有類似橡膠類材料的柔順結(jié)構(gòu)，側(cè)鏈中的偶氮苯既是液晶結(jié)構(gòu)，同時又是光響應(yīng)基團(tuán)，較長的柔性間隔基有利于液晶有序結(jié)構(gòu)的形成。將液晶高分子溶液涂覆于毛細(xì)管模板，溶劑揮發(fā)后分離毛細(xì)管模板即得到管狀執(zhí)行器。利用衰減光照射并精確調(diào)控微管執(zhí)行器，所產(chǎn)生的不對稱光致形變可誘導(dǎo)產(chǎn)生毛細(xì)作用力，從而驅(qū)動液體運(yùn)動。這一微管可用于模擬人工血管通道，開創(chuàng)了“柔性通道”的新方向。

2 功能膜材料

日常生活中另一常見的軟物質(zhì)功能材料是功能膜。普通合成膜材料如廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的塑料膜或保鮮膜等，主要用于隔離與保護(hù)方面；用于混合物分離目的的功能膜材料最早可追溯到1846年，Schonnbein使用硝酸纖維素制成有實(shí)用意義的氣體分離膜。1960年后膜科學(xué)進(jìn)入黃金發(fā)展期，大量功能膜材料涌現(xiàn)。這些功能膜材料中有很大一部分是高分子材料。高分子功能膜按照其功能可劃分為分離功能膜（氣體分離膜、液體分離膜、離子交換膜、化學(xué)功能膜等）、能量轉(zhuǎn)化功能膜（包括濃差能量轉(zhuǎn)化膜、光能轉(zhuǎn)化膜、電能轉(zhuǎn)化膜、導(dǎo)電膜）、生物功能膜（探感膜、生物反應(yīng)器、醫(yī)用膜）等。分離膜是最重要的功能膜。利用膜對不同物質(zhì)的透過性不同，在一定的傳質(zhì)推動力下，可以對混合物進(jìn)行分離。分離膜的材料種類有很多，在這其中天然高分子材料已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。天然高分子分離膜材料主要有改性纖維素及其衍生物類、殼聚糖類、海藻酸鈉類等。以纖維素及其衍生物膜為例，用乙?；〈u基制備得到的醋酸纖維素，分子間作用力減弱，分子間距增大，制膜工藝簡單，成膜后選擇性高、透水量大，在中空纖維膜的制備中有較好性能，也已經(jīng)應(yīng)用于氣體分離、血液過濾等。Sabira等使用醋酸纖維素和聚乙二醇復(fù)合制備反滲透膜，具有良好的親水性能，脫鹽率達(dá)到99.8%，復(fù)合膜的選擇滲透性非常優(yōu)秀。Miao等用聚乙烯醇和羧甲基纖維素制備復(fù)合納濾膜，該膜對Na2SO4和NaCl的脫鹽率達(dá)到93.7%和32.6%，其較高的滲透通量使得其有海水脫鹽和硬水軟化的應(yīng)用潛力。Lan等用二甲基亞砜與三氯甲烷溶解二醋酸纖維素，制得的納米纖維膜對牛血清蛋白的吸附含量為300.11 mg/g，說明纖維素及其衍生物膜材料也可應(yīng)用于蛋白質(zhì)濃縮分離。對于纖維素類膜的研究主要集中在提高化學(xué)穩(wěn)定性、壓密性等，可通過改性纖維素類材料如引入脂基改善親水性來達(dá)到目的。除天然高分子分離膜材料外，還有聚烯烴類膜材料、聚酰胺類膜材料、聚砜類膜材料、含氟高分子材料、芳香族雜環(huán)材料等作為原料制得的高分子分離膜。

近年來對膜材料的智能化研究越來越受到關(guān)注，智能膜材料的結(jié)構(gòu)、有效孔徑、膜的通量以及膜的性質(zhì)可以隨著光、電、溫度和pH等因素的改變而發(fā)生變化，這種能對外界刺激做出相應(yīng)變化的特點(diǎn)促使智能膜材料成為新型的功能性膜材料。智能膜在控制釋放、化學(xué)分離、生物分離、化學(xué)傳感器、人工細(xì)胞、人工臟器等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用價(jià)值，是膜科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一。

3 水凝膠

水凝膠是一種三維網(wǎng)絡(luò)聚合物，可以吸水溶脹并保持大量水分。1960年Wichterle和Lim合成第一個交聯(lián)的聚羥乙基丙烯酸甲酯（PHEMA）水凝膠，此后水凝膠優(yōu)良的溶脹性、透過性、生物相容性等得到證實(shí)，并在日化、環(huán)境、食品以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，由于水凝膠具有多孔結(jié)構(gòu)、較好的生物相容性和仿生特點(diǎn)等，水凝膠在如創(chuàng)傷敷料、藥物釋放載體、組織工程等方面有重要應(yīng)用。常用聚乙二醇、聚乙烯醇、海藻酸、纖維素、多聚糖等人工合成或天然高分子材料制備水凝膠敷料。相比傳統(tǒng)敷料，水凝膠敷料具有更好的親水性，而且彈性好、柔軟服帖、透水透氣，換藥時對創(chuàng)面的影響很小。在制作水凝膠敷料時還可以加入一定的藥物，讓藥物在創(chuàng)口處緩釋，達(dá)到局部抗菌的功能。

在水凝膠中引入親水性基團(tuán)、抗菌基團(tuán)，如聚乙二醇、兩性離子等，可合成具有特殊作用的水凝膠（如抗菌、生物相容性好、改善藥物的溫度酸度敏感性），作為藥物輸送載體。在藥物輸送載體水凝膠中，納米水凝膠是目前的研究熱點(diǎn)。納米水凝膠具有和宏觀水凝膠相似的性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)，包括良好的生物相容性、理想的理化性質(zhì)和機(jī)械強(qiáng)度等。此外，納米水凝膠還有更多的優(yōu)點(diǎn)，如靜脈注射時納米水凝膠抵達(dá)宏觀水凝膠難以抵達(dá)的人體部位，還可以被細(xì)胞攝入，作為小分子藥物的載體。

4 復(fù)合功能材料

以軟物質(zhì)材料為基礎(chǔ)的復(fù)合材料，通過引入具有特殊功能的成分，賦予了軟物質(zhì)材料新的功能。以微流控領(lǐng)域常用的高分子材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）為例，由于其透明、生物相容性好、容易加工且有較好的柔性，在微流控芯片領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。然而PDMS對其他外界刺激不敏感，并且與其他物質(zhì)之間較難黏合，諸多電學(xué)、磁學(xué)等相應(yīng)功能無法應(yīng)用到PDMS微流控芯片當(dāng)中，因此，將PDMS材料功能化有著重要的意義。2

宏觀性質(zhì)軟物質(zhì)展現(xiàn)出許多特別的宏觀性質(zhì)。聚合物分子加入液體中的奇特流動性質(zhì)和顆粒物質(zhì)振動的分離行為即可說明。由于大氣壓強(qiáng)的作用，液體會出現(xiàn)虹吸現(xiàn)象。若在普通的液體中摻入少量的長鏈聚氧乙烯分子，就可觀察到無管虹吸現(xiàn)象。即使將虹吸管口抬高到離液面20厘米的距離，水仍然保持虹吸流動而不中斷。這一現(xiàn)象的簡單解釋是：聚氧乙烯的長鏈分子在靜止水中為卷曲狀態(tài)，水流動時鏈狀分子會被拉伸，伸展的分子像拉長的彈簧一樣，對水有拉伸力，抵消了水柱的重力，使其繼續(xù)流動。液體中加入聚合物分子也能使液體流動阻力減小，若在水中加入少量（約萬分之二）聚氧乙烯，就可使噴射的水柱增高約30%。這一效應(yīng)在管道輸送液體和航運(yùn)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。一般認(rèn)為，這種效應(yīng)的產(chǎn)生與鏈狀分子的形態(tài)對水流的湍流有抑制作用相關(guān)。顆粒物質(zhì)也是一類軟物質(zhì)。裝有大小不同的顆粒的容器垂直振動時，一般會觀察到大的顆粒往上浮、小的顆粒往下沉的分離現(xiàn)象。有些情況下也發(fā)生大顆粒往下、小顆粒上浮的分離。要使液體均勻混合，只需不停地?fù)u晃，即可達(dá)到目的。而顆粒物質(zhì)卻是越搖越分離。這種現(xiàn)象還在進(jìn)一步深入研究中，尚無明確的解釋。1

發(fā)展和應(yīng)用軟物質(zhì)研究領(lǐng)域非常廣泛，并不斷深入到新的層次。如表面活性劑雙親分子的研究，加入表面活性劑可使兩種不相溶液體形成平衡分散體液體，稱為微乳液，就是涉及界面和分子的層次的問題。電（磁）流變液是通過施加電（磁）場可改變其軟硬程度的新型智能流體，有重要的應(yīng)用價(jià)值。對生物體中軟物質(zhì)諸如DNA等的研究，則更是具有重大意義的活躍研究方向。1
20世紀(jì)以來，物理學(xué)家加深和擴(kuò)展了對世界的認(rèn)識，深入研究了硬物質(zhì)，對于技術(shù)和社會產(chǎn)生了巨大推動作用。相對論和量子力學(xué)占有統(tǒng)治地位。在其發(fā)展的同時也出現(xiàn)了一些觀察問題的新見解。其中之一便是許多凝聚態(tài)系統(tǒng)中出現(xiàn)的尺度縮放對稱性，正是這一對稱性支配著物質(zhì)進(jìn)行連續(xù)相變的行為。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因恰恰是普通力和隨機(jī)漲落之間的結(jié)合。軟物質(zhì)的許多特性就是因此而形成的。1
軟物質(zhì)是一類復(fù)雜體系，這類物質(zhì)的奇異特性和運(yùn)動規(guī)律尚未得到很好的認(rèn)識。軟物質(zhì)的豐富物理內(nèi)涵和廣泛應(yīng)用背景已成為凝聚態(tài)物理研究重要前沿領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代，一般以復(fù)雜液體一詞來概括諸如聚合物、液晶 、膠體類物質(zhì)。1991年，法國著名物理學(xué)家P.德·熱納在諾貝爾獎授獎會上以“軟物質(zhì)”為演講題目，自此“軟物質(zhì)” 這一稱謂在國際上得到公認(rèn)，推動跨越物理、化學(xué)、生物三大學(xué)科的交叉學(xué)科的發(fā)展。國際上許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)現(xiàn)均在大力開展軟物質(zhì)領(lǐng)域的研究。1

軟物質(zhì)與人們生活休戚相關(guān)，在生產(chǎn)和技術(shù)上有廣泛應(yīng)用。對軟物質(zhì)的深入研究將對生命科學(xué)、化學(xué)化工、醫(yī)學(xué)、藥物、食品、材料、環(huán)境、工程等領(lǐng)域及人們?nèi)粘Ｉ钣袕V泛影響。軟物質(zhì)物理已成為物理學(xué)的一個新的前沿學(xué)科，也是物理科學(xué)通向生命科學(xué)的橋梁。1

21世紀(jì)被稱為生命科學(xué)的世紀(jì)。任何生命結(jié)構(gòu)（DNA、蛋白質(zhì)等等）正是建立在軟物質(zhì)的基礎(chǔ)之上。作為人類未來技術(shù)中的重要組成部分以及生命本身不可或缺的基石，軟物質(zhì)的廣泛研究和應(yīng)用顯得極為重要。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王強(qiáng) - 副教授 - 西南大學(xué)