软物质

2006-07-09 09:58阅读:
“软物质”这个词, 大约是第一次由Pierre-Gilles de Gennes(中文早期翻译为德.让纳, 最近看到翻译为德.热纳, 还有人翻译成热纳)明确提出来的. 他在1991年获得诺贝尔物理奖之后, 所做诺贝尔讲座的题目就是”Soft Matter”, 这个讲座的内容后来发表在1992年的”科学”(Science 256 (5056), 495-497 (1992))和”现代物理评论”上(Review of Modern Physics 64, #3, 645-648 (1992)).
软物质和软物质的研究并不是在德.热纳提出这个名词之后才有的, 实际上, 这个名词的提出, 是这样一个非常广泛, 非常有趣的研究领域开始走向成熟的标志. 在此之前, 有关软物质的描述中用的最多的词是”复杂流体 (Complex fuids)”, 这个词目前仍然在文献中广泛使用.
众所周知, 流体是很复杂的, 学习和研究流体力学需要一定的牺牲精神和冒险精神. 如果在
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已经非常复杂的流体前面加上复杂两个字, 很容易吓走很多学生. 另一方面, 软物质是个没有深浅, 而且很女性化的名词, 表面看上去有一点神秘, 但更多的是一种亲近感和探索的冲动.
给”软物质”这个词一个确切的定义并不容易, 事实上, 对于科学研究和探索的自然现象,给以一个如”软物质是研究xxxxxxxxxx的科学”这样的定义, 对于研究本身就是有害的. 当前, 政府和各级科学管理机构都提倡交叉学科的研究, 但是, 很多交叉学科类的研究项目却很难得到基金的资助, 与各个学科都具有这种形式的定义不无关系. 但无论如何, 我们应该解释这个词. 粗略的讲, 软物质包括了两个方面, 一个是她的复杂性, 另一个是她的易变性. 这两个方面又是互相联系在一起的. 物理学家喜欢简单的东西, 在很多场合, 我们能够听到”简单就是美”这样的表述. 学生学习物理, 往往是从质点, 刚体学起的, 这都是一大类宏观物体的宏观表现的简单抽象. 然后, 学生会学到理想气体, 会学到计算一个导体球或电介质球周围的电场分布, 学到计算一个振动着的点偶极子的推迟势和辐射角分布(据说现在很多物理系的毕业生和研究生不会算这个东西, 这是有点悲哀的), 学到解氢原子的定态薛定谔方程等等. 然后, 我们会在解出来的东西上面加一点别的东西, 看看这点东西的效果和影响. 这样, 我们得到了很多有用的结果. 例如, 比刚体多一点, 叫做弹性力学, 是说每个构成弹性体的质点可以在其平衡位置附近稍为活动活动; 比理想气体多一点, 叫做”实气体”, 是说每个气体分子基本上是自由的, 相互之间有一点点作用. 有时候, 一些表面上相互作用很强的个体, 如果把他们重新组合一下, 就会得到一些差不多是理想气体的东西, 这个东西的每一个个体叫做”元激发”或”准粒子”, 在他们的基础上, 再加上一点点相互作用, 也就到了基本上是理想的状况. 处理这样一些问题的理论方法基本上是一样的, 叫做微扰论或者摄动理论. 而软物质的研究对象是高分子, 胶体, 表面活化剂, 酶, 液晶这样一些对象, 对于这些物质, 我们找不到一个像理想气体的东西做为研究她们的出发点, 她们一上来就是复杂和神秘的. 对于上述的这些研究对象, 每一种又都是非常容易改变的. 很小的外界作用常常会导致非常大的变化, 橡胶高分子液体中加入少量的硫, 就得到了看上去是固体的橡胶, 液晶显示器中的液晶分子, 只要非常小的能量, 就可以维持分子的不断翻转. 豆浆中加入少量的卤水, 就变成了豆腐. 这种变化, 看上去是非常大的, 如果我们不熟悉这些现象, 不是已经习以为常, 我们看到这些小影响导致大变化的时候, 我们大概会为她们的易变性而发疯. 这种复杂性和易变性是软物质的重要特征, 也决定了她的长期的, 引人入胜的, 吸引人的魅力.
注:软物质的易变性指的是软物质的抵抗力比较弱, 变化通常也是非线性的, 但系统变化的方向和大小还是可以知道的, 当然是在对她有了深入的了解之后. 软物质的研究对象基本上都是属于化学, 化工, 生物等学科, 物理学在这个领域基本上是个外来者, 同时, 物理学的研究基本上还处于自我满足(差点用了一个不文明的词)的阶段, 包括De Gennes的很多工作, 对于软物质的应用所起的作用很小.不过倒是有一些有趣的故事, 我在德国有个朋友, 原来是一个化妆品公司的RD人员, 学化工的, 后来老是想更深入地了解化妆品,就到一位做软物质的教授那里拿了个博士,目前做的很带劲,只是收入大减.
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