軟物質(固體和理想流體之間的物質)

軟物質（soft matter）是指處於固體和理想流體之間的物質。又稱軟凝聚態物質。一般由大分子或基團組成，包括液晶、聚合物、膠體、膜、泡沫、顆粒物質、生命體系物質（如DNA、細胞、體液、蛋白質）等。可以是固－液混合物、液－液混合物、氣－液混合物等。在自然界、生命體、日常生活和生產中廣泛存在。隨處可見的橡膠、膠水、墨汁、洗滌劑、塗料、化妝品、食品等都屬於軟物質。

基本介紹

• 中文名：軟物質
• 外文名：soft matter
• 簡單定義：處於固體和理想流體之間的物質

特性

軟物質的基本特性是對外界微小作用的敏感和非線性回響、自組織行為、空間縮放對稱性等。流體熱漲落和固態的約束共存導致了軟物質的新行為，體現了其複雜性及特殊性。軟物質的組成、結構、相互作用及其巨觀性質與普通固體、液體和氣體大不相同。
軟物質對外界微小作用的敏感是軟物質之“軟”的含義來源。軟物質的“軟”是指受很小的外界作用會產生大的變化的特性。這種外界作用因對於不同體系而不同，可以是力、電、磁、熱、化學擾動和摻雜等。如加一點滷水可使豆漿變成豆腐；加一些骨膠就可使墨汁穩定而不沉澱；非常小的電場可容易地改變液晶分子顯示的狀態；硫化橡膠是通過摻入微量硫（硫原子和碳原子之比為1∶200）而使其由液體轉變成了有彈性的固體。不過幾乎所有軟物質在力學性質上來衡量也確實是軟的物質。
軟物質與簡單流體和固體對比，可看出它們之間的構成和組態的區別。簡單流體中的分子可自由地變換位置 ，位置互換後的性質不發生變化。而理想固體的分子的位置是固定的。軟物質則具有複雜的情況，有些是大分子或基團內的分子受到約束，不可自由互換。大分子或基團其間是弱連線，如聚合物溶液、液晶、膠體和顆粒物質等；有些是基團內外分別是可以互換的流體分子，而基團內外它們不可以互換，如液－液混合物和氣－液混合物。
以果凍和冰為例，比較軟物質和硬物質之間的差異。果凍是由明膠分子和水組成，明膠分子通過水而弱連線在一起，因而很柔軟，有較大的彈性。凍的硬性和強度起因於它的分子組成。冰中H₂O分子是一個個緊密堆積的 ，分子間有強的相互作用，需要很大的作用力才可使冰發生變化。很強的擠壓會破壞冰中原子間的結合，出現脆性破裂。冰是硬物質，果凍是軟物質。水是具有一定體積而不能保持自身形態的物質，任何切變力都會使其產生流動。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生緩慢的變形或流動。軟物質“軟”的原因還與其組成分子聚集態的複雜性有關。以液晶為例，向列相分子的質心體現液體相，而其長軸的取向體現晶體相；近晶相液晶其分子的質心在一個平面上體現液體相，而在垂直方向上體現晶體相；而橡膠分子在微觀局域態是液體，但巨觀則體現為固體。因此，通常的固體屬於硬物質，而一般的由小分子組成的液體和溶液也不是軟物質。有人將普通液體（如水）和溶液稱為超軟物質。

結構特徵

自組織是軟物質的基本特性，軟物質不具有旋轉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行走的形式相對於它的前一片段隨機擴展 ，無規行走步與步間的關聯是無規的，而步在空間上的分布卻並非無規，表現出自組織行為。膠體中顆粒的集聚也是如此，相鄰顆粒無規地連線，而整體是有規的分布。但它的密度並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。幾乎所有軟物質都遵從這種規律。有些自組織形式出現在單個分子內，如DNA分子，它能承受扭轉和彎曲，分子中某一點上的機械扭轉，都會使分子的形態發生整體的改變。
硬物質中原子間相互作用的內能對自由能的貢獻遠超過熵，物質的結構主要由內能決定，熱漲落只起微擾作用。但對於軟物質，構成單元間的相互作用弱，構形發生變化時內能幾乎不發生改變。這意味著外部的微小擾動容易產生複雜的變形和流動，熱漲落對系統的結構和行為有極大影響，即系統的特性在很大程度上取決於系統的熵。拉伸彈簧的恢復力由原子間的相互作用所決定，是硬物質的特性。

而橡皮這類軟物質拉伸前後的情況很不一樣：未拉伸的橡皮中聚合物分子處於捲曲狀態，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，拉伸橡皮的恢復力是“熵力”所驅動。在“熵力”的作用下，軟物質體系會出現很多新奇的行為，比如原本混亂的微觀體系會變得井然有序，複雜的蛋白質分子會自行摺疊成特殊的結構等。利用這些性質，可以製造許多有特殊性質的軟材料，它們是硬材料難以取代的。

軟物質的基本特徵可總結為“小作用，大變化”，即在外界微小的作用下可能產生結構或性能上的顯著變化。對於不同體系，這種外界作用可以是力、熱、電、光、磁及化學擾動和摻雜等。許多軟物質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材料。例如：電流變液/磁流變液在電場/磁場作用下黏度可發生巨大的變化，可稱之為電/磁回響功能軟物質材料。

四種常見材料

功能軟物質材料一般由功能性大分子或基團組成，通常是高分子材料或複合材料。本文主要介紹4種常見的功能軟物質材料：液晶、功能膜、水凝膠及複合功能材料。

1 液晶材料

液晶是一種為大多數人所熟知的功能軟物質材料。某些物質在熔融狀態或被溶劑溶解之後，失去固體的剛性，同時獲得液體的易流動性，並保留著部分晶態物質分子的各向異性，形成一種兼有晶體和液體的部分性質的中間態。這種由固態向液態轉化過程中存在的取向有序流體稱為液晶。能形成液晶的物質通常在分子中具有剛性結構，習慣上稱為液晶基元。液晶基元通常是棒狀或盤狀，有利於分子的有序堆積。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。高分子液晶的分子記憶體在剛性結構，分子間作用力大，容易形成有序堆積結構，因此結晶度高，力學性能好，物理化學性質穩定。其有序性可以將分子的折射率、偶極矩、磁化率、剪下黏度、旋光性等微觀特徵巨觀化，表現出特殊的光、電、磁和力學效應。另外，高分子液晶的相態結構受環境因素影響顯著，如溫度、溶劑、電場和磁場等，調整這些因素可以改變材料的晶相結構，進而改變材料的相關屬性。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生偏轉或扭轉，使液晶屏的透光率改變，產生像素單元的明暗變化，進而實現顯示功能的。高分子液晶的這些特殊物理化學性質也使其在高性能工程材料、圖像顯示材料、溫度和化學敏感器核心材料、非線性光學材料和壓電材料等方面有重要的套用。

復旦大學俞燕蕾等設計了一種新型結構的側鏈液晶高分子材料，實現了精確光控微量液體運動。這種液晶高分子的主鏈具有類似橡膠類材料的柔順結構，側鏈中的偶氮苯既是液晶結構，同時又是光回響基團，較長的柔性間隔基有利於液晶有序結構的形成。將液晶高分子溶液塗覆於毛細管模板，溶劑揮發後分離毛細管模板即得到管狀執行器。利用衰減光照射並精確調控微管執行器，所產生的不對稱光致形變可誘導產生毛細作用力，從而驅動液體運動。這一微管可用於模擬人工血管通道，開創了“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功能材料是功能膜。普通合成膜材料如廣泛套用於農業生產的塑膠膜或保鮮膜等，主要用於隔離與保護方面；用於混合物分離目的的功能膜材料最早可追溯到1846年，Schonnbein使用硝酸纖維素製成有實用意義的氣體分離膜。1960年後膜科學進入黃金髮展期，大量功能膜材料湧現。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、化學功能膜等）、能量轉化功能膜（包括濃差能量轉化膜、光能轉化膜、電能轉化膜、導電膜）、生物功能膜（探感膜、生物反應器、醫用膜）等。分離膜是最重要的功能膜。利用膜對不同物質的透過性不同，在一定的傳質推動力下，可以對混合物進行分離。分離膜的材料種類有很多，在這其中天然高分子材料已經得到廣泛套用。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，用乙醯基取代羥基製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，成膜後選擇性高、透水量大，在中空纖維膜的製備中有較好性能，也已經套用於氣體分離、血液過濾等。Sabira等使用醋酸纖維素和聚乙二醇複合製備反滲透膜，具有良好的親水性能，脫鹽率達到99.8%，複合膜的選擇滲透性非常優秀。Miao等用聚乙烯醇和羧甲基纖維素製備複合納濾膜，該膜對Na₂SO₄和NaCl的脫鹽率達到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套用潛力。Lan等用二甲基亞碸與三氯甲烷溶解二醋酸纖維素，製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套用於蛋白質濃縮分離。對於纖維素類膜的研究主要集中在提高化學穩定性、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、聚醯胺類膜材料、聚碸類膜材料、含氟高分子材料、芳香族雜環材料等作為原料製得的高分子分離膜。

近年來對膜材料的智慧型化研究越來越受到關注，智慧型膜材料的結構、有效孔徑、膜的通量以及膜的性質可以隨著光、電、溫度和pH等因素的改變而發生變化，這種能對外界刺激做出相應變化的特點促使智慧型膜材料成為新型的功能性膜材料。智慧型膜在控制釋放、化學分離、生物分離、化學感測器、人工細胞、人工臟器等領域有潛在套用價值，是膜科學與技術領域的重要發展方向之一。

3 水凝膠

水凝膠是一種三維網路聚合物，可以吸水溶脹並保持大量水分。1960年Wichterle和Lim合成第一個交聯的聚羥乙基丙烯酸甲酯（PHEMA）水凝膠，此後水凝膠優良的溶脹性、透過性、生物相容性等得到證實，並在日化、環境、食品以及生物醫學等領域廣泛套用。

在生物醫學領域，由於水凝膠具有多孔結構、較好的生物相容性和仿生特點等，水凝膠在如創傷敷料、藥物釋放載體、組織工程等方面有重要套用。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製備水凝膠敷料。相比傳統敷料，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，換藥時對創面的影響很小。在製作水凝膠敷料時還可以加入一定的藥物，讓藥物在創口處緩釋，達到局部抗菌的功能。

在水凝膠中引入親水性基團、抗菌基團，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。納米水凝膠具有和巨觀水凝膠相似的性質和優點，包括良好的生物相容性、理想的理化性質和機械強度等。此外，納米水凝膠還有更多的優點，如靜脈注射時納米水凝膠抵達巨觀水凝膠難以抵達的人體部位，還可以被細胞攝入，作為小分子藥物的載體。

4 複合功能材料

以軟物質材料為基礎的複合材料，通過引入具有特殊功能的成分，賦予了軟物質材料新的功能。以微流控領域常用的高分子材料聚二甲基矽氧烷（PDMS）為例，由於其透明、生物相容性好、容易加工且有較好的柔性，在微流控晶片領域有著重要的套用。然而PDMS對其他外界刺激不敏感，並且與其他物質之間較難黏合，諸多電學、磁學等相應功能無法套用到PDMS微流控晶片當中，因此，將PDMS材料功能化有著重要的意義。

巨觀性質

軟物質展現出許多特別的巨觀性質。聚合物分子加入液體中的奇特流動性質和顆粒物質振動的分離行為即可說明。由於大氣壓強的作用，液體會出現虹吸現象。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。這一現象的簡單解釋是：聚氧乙烯的長鏈分子在靜止水中為捲曲狀態，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%。這一效應在管道輸送液體和航運等領域有重要套用。一般認為，這種效應的產生與鏈狀分子的形態對水流的湍流有抑制作用相關。顆粒物質也是一類軟物質。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象。有些情況下也發生大顆粒往下、小顆粒上浮的分離。要使液體均勻混合，只需不停地搖晃，即可達到目的。而顆粒物質卻是越搖越分離。這種現象還在進一步深入研究中，尚無明確的解釋。

發展和套用

軟物質研究領域非常廣泛，並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慧型流體，有重要的套用價值。對生物體中軟物質諸如DNA等的研究，則更是具有重大意義的活躍研究方向。
20世紀以來，物理學家加深和擴展了對世界的認識，深入研究了硬物質，對於技術和社會產生了巨大推動作用。相對論和量子力學占有統治地位。在其發展的同時也出現了一些觀察問題的新見解。其中之一便是許多凝聚態系統中出現的尺度縮放對稱性，正是這一對稱性支配著物質進行連續相變的行為。導致這一現象的原因恰恰是普通力和隨機漲落之間的結合。軟物質的許多特性就是因此而形成的。
軟物質是一類複雜體系，這類物質的奇異特性和運動規律尚未得到很好的認識。軟物質的豐富物理內涵和廣泛套用背景已成為凝聚態物理研究重要前沿領域。20世紀80年代，一般以複雜液體一詞來概括諸如聚合物、液晶 、膠體類物質。1991年，法國著名物理學家P.德·熱納在諾貝爾獎授獎會上以“軟物質”為演講題目，自此“軟物質” 這一稱謂在國際上得到公認，推動跨越物理、化學、生物三大學科的交叉學科的發展。國際上許多大學和研究機構現均在大力開展軟物質領域的研究。

軟物質與人們生活休戚相關，在生產和技術上有廣泛套用。對軟物質的深入研究將對生命科學、化學化工、醫學、藥物、食品、材料、環境、工程等領域及人們日常生活有廣泛影響。軟物質物理已成為物理學的一個新的前沿學科，也是物理科學通向生命科學的橋樑。

21世紀被稱為生命科學的世紀。任何生命結構（DNA、蛋白質等等）正是建立在軟物質的基礎之上。作為人類未來技術中的重要組成部分以及生命本身不可或缺的基石，軟物質的廣泛研究和套用顯得極為重要。