纳米材料与软物质的研究现状、应用及未来发展.docx

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1、纳米材料与软物质的争辩现状、应用与将来进展1 引言1990 年，第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际扫描隧道显微学会议同时在美国巴尔的摩举办，纳米技术与纳米生物学两种国际专业期刊相继问世，标志一门崭的科学技术纳米科技的诞生。从今纳米科技得到科技界的广泛关注，并迅猛进展。1991 年，诺贝尔得主、法国物理学家 P.G. De Gennes 在诺贝尔授奖会上以“软物质Soft Matter”为题进展演讲，提出了软物质的争辩，统一了欧洲科学家笔下的“软物质”与美国科学家口中的“复 杂流体”两个称呼。从今，软物质争辩作为物理学的一个重要争辩方向得到了广泛的认可。纳米材料与软物质的争辩都是从 20 世

2、纪 80 年月开头的，是在之前三次工业革命的根底上进展起来的的兴科技领域。巨大的需求与技术支撑，使其在诞生之初就显现出蓬勃的生命力，而且对 它们的争辩经久不衰。在学问与学科相互穿插的今日，纳米材料与软物质有可能相互结合，在材料、生物、医学、高分子等领域开拓出一片片大陆，筑起21 世纪工业革命的基石。2 纳米材料的概念广义的纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为根本单元构成的材料。依据维数，纳米材料的根本单元可以分为三类：零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度的材料，如纳米尺度颗粒、原子团簇等； 一维，指在空间有两维处于纳米尺度的材料，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；二维，指在三

3、维空间中有一维在纳米尺度的材料，如超薄膜、多层膜、超晶格等。纳米科技是面对纳米材料的运动规律和相互作用并在应用中实现特有功能和智能作用的技术问题，进展纳米尺度的探测和操纵。纳米科技主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征三个争辩领域。扫描隧道显微镜 STM在纳米科技中占有重要的地位它贯穿到七个分支领域中，以其为分析和加工手段所做的工作占一半以上。3 纳米材料的特性全部的纳米材料都具有三个共同的构造特点：1纳米尺度的构造单元或特征维度尺寸在纳米数量级1-100nm；2有大量

4、的界面或自由外表；3各纳米单元之间存在着或强或弱的相互作用。由于这种构造上的特别性，使纳米材料具有一些独特的效应，也使纳米材料受到各国科学家的追捧。物质尺度到了纳米量级后，由于外表电子能级费米面的变化Kubo 效应导致了纳米材料具有很多惊奇的性能，从而使其具备奇异性和反常性，能使多种多样的材料改性，用途极为广泛。外表效应、量子尺寸效应、体积效应、宏观量子隧道效应、界面相关效应，这五种效应是纳米材料的根本特性，它们使纳米粒子和纳米固体呈现出很多奇异的物理性质、化学性质和力学性质，它们是纳米技术应用的理论根底。3.1 外表效应粒子直径削减到纳米量级，外表原子数和比外表积、外表能都会快速增加；处于外

5、表的原子数增多，使大局部原子的四周晶场环境和结合能与块材内部原子有很大的不同；外表原子四周缺少相邻的原子，有很多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合，故具有很大的化学活性。3.2 量子尺寸效应纳米粒子尺寸下降到某肯定值时，费米能级四周的电子能级将由连续能级变为分立能级。这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。3.3 体积效应当纳米粒子的尺寸变小时，周期边界条件将被破坏，使得物理化学性质发生变化，甚至是发生 突变。假设颗粒尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，金属微粒均失去原有的光泽而呈黑 色光的吸取特性变化；磁性超微颗粒在尺寸小到肯定范围时，会失去铁磁性，而

6、表现出顺磁性或超顺磁；非铁磁性也可转化为铁磁性；铁电态变为顺电态、超导相向正常相转变等。3.4 宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的力量称为隧道效应。近来年，人们觉察一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化。库仑堵塞效应只能单电子传输，电荷宇称效应电荷数奇偶性。3.5 界面相关效应由于纳米构造材料中有大量的界面，与块材相比，纳米构造材料具有反常高的集中率，它对蠕变、超塑性等力学性能有显著影响；可以在较低的温度对材料进展有效的掺杂，并可使不混溶金属形成的合金相；消灭超强度、超硬度、超塑性等。4 纳米材料的争辩现状及其

7、应用目前，纳米陶瓷、纳米碳材料、纳米高分子材料、纳米复合材料、微乳液、纳米纤维、纳米磁性材料、纳米储锂材料、纳米吸波材料等型材料已经崭露头角，有的已经应用在实际产品中。2023 年 IDF 上，英特尔带来了全球第一块22 纳米工艺的芯片。美国科学家开发出一种简洁、可行的碳纳米管混合物的净化方式，可以借助紫外线和空气中的氧生成净化的半导体纳米管，对进展 下一代计算机芯片具有非凡价值。7 月 13 日一个中德小组在期刊自然纳米技术网络版上报告说，他们通过争辩首次证明把钴元素掺入由氧化锌制成的纳米导线，能使纳米导线具有内禀磁性， 这一成果对研制运算速度快且能耗低的型磁性半导体材料具有重要意义。9 月

8、 27 日的Nature Nanotechnology报道，辛辛那提大学的生物工程争辩人员使用一种 RNA 动力纳米马达，成功地开发出了一种能够使单链和双链的 DNA 通过的人造微孔。4.1 纳米陶瓷纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径之一，纳米陶瓷具有类似于金属的超塑性是纳米材料争辩中令人注目的焦点。4.2 碳纳米管1991 年 1 月，日本筑波NEC 试验室的饭岛澄男首次用高区分分析电镜观看到碳纳米管。纳米碳管的质量是一样体积钢的六分之一，却具有超过钢 100 倍的强度。不仅具有良好的导电性能，还是目前最好的导热材料。纳米碳管优异的导热性能将使它成为今后计算机芯片的热沉，也可用于发动 机、火箭

9、等的各种高温部件的防护材料。争辩说明，碳纳米管当中的空腔不仅可以充当微型试管、 模具或模板，而且将其次种物质封存在这个约束空间还会诱导其具备在宏观材料中看不到的构造和 行为。4.3 纳米纤维在化纤纺丝过程中参加少量的纳米材料，可生产出具有特别功能的型纺织材料，如：抗紫外线纤维、抗菌除臭纤维、抗静电防电磁波纤维、隐身纺织材料、强耐磨纺织材料、远红外线反射功能化纤、抗红外型化纤、导电型化纤和其它功能纤维。4.4 纳米磁性材料磁性材料始终是国民经济、国防工业的重要支柱与根底。纳米磁性材料是指材料尺寸限度在纳 米级，通常在 1100nm 的准零维超微小粉、一维超薄膜或二维超细纤维丝或由它们组成的固态或

10、液态磁性材料。纳米磁性材料的特别磁性能主要有：量子尺寸效应、超顺磁性、宏观量子隧道 效应、磁有序颗粒的小尺寸效应、特异的表观磁性等。纳米磁性材料依据其构造特征可以分为纳米 颗粒型、纳米微晶型和磁微电子构造材料三大类。4.4.1 磁存储介质材料以超微粒作记录单元，可使记录密度大大提高。纳米磁性微粒由于尺寸小，具有单磁畴构造， 矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。4.4.2 纳米磁记录介质今后进一步提高密度要向“量子磁盘”化进展，利用磁纳米线的存储特性，记录密度达400Gbit/in2，相当于每平方英寸可存储 20 万部红楼梦小说，如合金磁粉的尺寸在 80nm，钡铁氧

11、体磁粉的尺寸在 40nm。4.4.3 磁性液体由超顺磁性的纳米微粒包覆了外表活性剂，然后布满在基液中而构成。利用磁性液体可以被磁 场把握的特性，用环状永磁体在旋转轴密封部件产生一环状的磁场分布，从而可将磁性液体约束在 磁场之中而形成磁性液体的“O”形环，且没有磨损，可以做到长寿命的动态密封。这也是磁性液体较早、较广泛的应用之一。此外，在电子计算机中为防止尘埃进入硬盘中损坏磁头与磁盘，在转轴 处也已普遍承受磁性液体的防尘密封。磁性液体还有其他很多用途，如仪器仪表中的阻尼器、无声 快速的磁印刷、磁性液体发电机、医疗中的造影剂等等。4.4.4 纳米磁性药物磁性治疗技术在国内外的争辩领域在拓宽，如治疗

12、癌症，用纳米的金属性磁粉液体注射进人体病变的部位，并用磁体固定在病灶的细胞四周，再用微波辐射金属加热法升到肯定的温度，能有效地杀死癌细胞。另外还可以用磁粉包裹药物，用磁体固定在病灶四周，这样能加强药物治疗作用。4.4.5 纳米微晶稀土永磁材料稀土钕铁硼磁体的进展突飞猛进，磁体磁性能也在不断提高，目前烧结钕铁硼磁体的磁能积达 到 50MGOe，接近理论值 64MGOe，并已进入规模生产。为进一步改善磁性能，目前已经用速凝薄片合金的生产工艺，一般的快淬磁粉晶粒尺寸为 20-50nm，如作为粘结钕铁硼永磁原材料的快淬磁粉。为抑制钕铁硼磁体低的居里温度、易氧化和比铁氧体高的本钱价格等缺点，目前正在探究

13、型 的稀土永磁材料，如钐铁氮、钕铁氮等化合物。另一方面，开发研制复合稀土永磁材料，将软磁相 与永磁相在纳米尺寸内进展复合，就可获得高饱和磁化强度和高矫顽力的型永磁材料。4.4.6 纳米微晶稀土软磁材料在 1988 年，首先觉察在铁基非晶的基体中参加少量的铜和稀土，经适当温度晶化退火后，获得一种性能优异的具有超细晶粒直径约10nm软磁合金，后被称为纳米晶软磁合金。纳米晶磁性材料可开发成各种各样的磁，应用于电力电子技术领域，用作电流互感器、开关电源变压器、滤 波器、漏电保护器、互感器及传感器等，可取得令人满足的经济效益。4.4.7 巨磁电阻材料将纳米晶的金属软磁颗粒弥散镶嵌在高电阻非磁性材料中，构

14、成两相组织的纳米颗粒薄膜，这 种薄膜最大特点是电阻率高，称为巨磁电阻效应材料，可以在 100MHz 以上的超高频段显示出优良的软磁特性。由于巨磁电阻效应大，可便器件小型化、廉价，可作成各种传感器件，例如，测量位移、角度，数控机床、汽车测速，旋转编码器，微弱磁场探测器等。4.4.8 磁性薄膜变压器个人电脑和手机的小型化，必需承受高频开关电源，并且工作频率越来越高，逐步提高到 1 2MHz 或更高。要想使高频开关电源进一步向轻薄小方向进展，立体的三维构造铁芯已经不能满足要 求，只有向低维的平面构造进展，才能使高度更薄、长度更短、体积更小。对于1025W 小功率开关电源，将承受印刷铁芯和磁性薄膜铁芯

15、。几个微米厚的磁性薄膜，根本上不成形三维立体构造， 而是二维平面构造，其物理特性也与原来的立体构造不同，可以获得前所未有的高性能和综合性能。4.4.9 磁光存储器当前只读和一次刻录式的光盘已经广泛应用，但是可重复写、擦的光盘还没有产业化生产。最具有进展前途的是磁性材料介质的磁光存储器，其可以像磁盘一样反复屡次地重复记录。目前大量使用的软磁盘，由于材料介质和记录磁头的局限性，其存储密度已经到达极限。另外其已经不能满足信息技术的进展要求，无法在一张盘上存储更多的图象和数据。承受磁光盘存储，就能在一张盘上记录数千兆字节到数十千兆字节的容量，并且能反复地擦写使用。4.5 纳米储氢材料锂电池是选用全部金

16、属元素中最轻的锂作电极，因此它的能量密度很高。但从20 世纪 80 年月以来的工作觉察，由于锂金属格外活泼，安全问题不能解决。锂离子电池体系则很好地解决了这个问题。它是 1990 年日本索尼公司首先开发的，其核心技术即是以锂的嵌入化合物代替了金属锂，用适当降低容量的代价解决了安全性和循环寿命方面的问题。现在的纳米储氢材料已经有纳米氧化锡储氢材料、纳米硅负极材料、纳米孔碳微球负极材料、纳米锡锑合金HCS 复合材料等，它们已经在锂离子电池上显示出容量高和循环性好的特点。4.6 纳米吸波材料纳米吸波材料对电磁波能量的吸取主要取决于三种效应：1由晶格电场热运动引起的电子散射；2由杂质和晶格缺陷引起的电

17、子散射；3电子与电子间的相互作用。一方面，由于纳米微粒尺寸为 1nm-100nm，远小于雷达放射的电磁波波长，因此纳米材料对这种波的透过率比常规材料强得多，大大减小了波的反射率，使得雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而到达隐身的目的； 另一方面，纳米微粒材料的比外表积比常规微粒大3 至 4 个数量级，对电磁波和红外光波的吸取率比常规材料大得多。被探测物放射的红外光和雷达放射的电磁波被纳米粒子吸取，使得红外探测器 和雷达很难探测到被探测目标。此外，随着颗粒的细化，在肯定尺寸时，由于颗粒的外表效应，纳 米颗粒费米面四周的电子能级由准连续变为离散能级，并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占 据的分子

18、轨道和最低未被占据的轨道能级，使得能隙变宽。同时，量子尺寸效应使纳米粒子的电子 能级发生分裂，其间隔正处于微波能量范围10-2-10-5eV，从而形成的吸波通道。5 纳米材料争辩展望正由于纳米材料具有与传统块材不同的构造、不同的特性与效应，使得纳米材料自上世纪 80 年月以来，持续引发了各国科学家的巨大热忱。虽然目前进展纳米科技存在科学理论、科学方法、科技创和高风险等难点，但是纳米材料颖的特性可能引发一轮的技术革命，可能是 21 世纪人类文明连续进展的物质根底。（1） 纳米组装体系蓝绿光的争辩消灭的苗头。日本Nippon 钢铁公司闪电化学阳极腐蚀方法获得 6H 多孔碳化硅，觉察了蓝绿光发光强度

19、比6H 碳化硅晶体高 100 倍：多孔硅在制备过程中经紫外辐照或氧化也发蓝绿光；含有 Dy 和 Al 的 SiO2 气凝胶在 390nm 波长光激发下放射极强的蓝绿光， 比多孔 Si 的最强红光还高出 1 倍多，250nm 波长光激发出极强的蓝光。（2） 巨电导的觉察。美国霍普金斯大学的科学家在SiO2一 Au 的颗粒膜上观看到极强的高电导现象，当金颗粒的体积百分比到达某临界值时，电导增加了14 个数量级；纳米氧化镁铟薄膜经氢离子注入后，电导增加 8 个数量级。（3） 颗粒膜巨磁电阻尚有潜力。1992 年，纳米颗粒膜巨磁电阻觉察以来，始终引起人们的关注，目前这一领域争辩追求的目标是提高工作温度

20、，降低磁场。假设在室温存零点几特斯拉磁场下， 颗粒膜巨磁阻能到达 10，那么就将接近有用的使用目标。目前国际上科学家们正在这一领域努力。（4） 纳米组装体系设计和制造有进展。美国加利福尼亚大学化学工程系成功地把纳米Au 颗粒组装到 DM 的分子上形成纳米晶分子组装体系；美国利用自组装技术将几百支单壁纳米碳管组成晶体索“Ropes“，这种索具有金属特性，室温下电阻率小于 104Wcm；将纳米三碘化铅组装到尼龙上，在X 射线照耀下具有强的光电导性能，利用这种性能为进展数字射线照相奠定了根底。6 软物质的概念20 世纪的物理学家致力于争辩硬物质，像金属、半导体，以及陶瓷等非晶材料，把握这些材料使大规

21、模集成电路技术成为可能，并开创了人类社会的信息时代。时至21 世纪，指数式生长的生物科学与技术成为划时代的科技进展方向，形成生物体的构成材料，已不是上述的无机固体，而是由 有机大分子依据基因写成的程序按自组装方式组成的软物质。物理学家已把 20 世纪以前分散于化学化工、医学、食品、生物材料争辩对象液晶、聚合物、胶体、生物膜、泡沫、生物大分子及颗 粒物质重组合为渐渐统一的争辩领域，称为软分散态物质，它包括了处于固体和抱负流体之间的 一切物质。这类物质在自然界、生命体系、日常生活和工业生产中广泛存在，也被人类争辩使用许 多世纪。但由于其简单性，这类物质的奇异特性和一般运动规律尚未得到很好的生疏。因

22、此，当物 理学家在 20 世纪 80 年月末开头将软物质作为一类普遍物质形态进展争辩时，曾用“简单流体”来概括这类物质。现在被正确的“软物质”名称所代替要归功于诺贝尔物理奖得主P.G. De Gennes，他在其诺贝尔获奖演讲时就以“软物质”为题。P.G. De Gennes 的演讲最终将“简单流体”归为“软物质”，实际上这两个名称所涉及的对象是同一类分散态物质。7 软物质争辩的现状7.1 如何建立描述软物质简单体系及其运动的模型在物理学进展中，往往以简化模型对物质进展描述：例如，对于气体由抱负气体模型，通过位 力开放进而描述真实气体；对固体则以晶体原子或分子的周期性排列作为根底。尽管描述液体

23、的理 论尚未完善建立，承受原子和分子相互作用及无序分布的模型，也可对液体构造和性质有较深入的 生疏。软物质与以原子和小分子组成的气、液、固体相比，有很大的差异.软物质组成简单，组成单 元可跨越很大尺度从微观、介观到宏观，形态多样，组成单元的相互作用弱，涨落支配其运动，而且经常处于非平衡态，属于慢动力学体系。软物质的运动不能简洁地归结为原子和小分子的作用。对于有些软物质体系，如液晶、聚合物已作了相当多的物理争辩，这些体系的构造和运动规律现已 有较为成熟的理论。在这些争辩中一般均承受粗粒化模型处理，不考虑简单构造单元中的细节。但 总体来讲，对软物质中的相互作用、非平衡态及慢动力学运动的生疏还很不清

24、楚，从物理学的观点 开展软物质争辩时间不长，建立描述软物质运动规律的理论仍有待时日。20 多年前 L. Kadanoff 曾经说过：“物理学家开头生疏到简单体系可能有自己的规律，这些规律或许就像自然界任何其他规律一样简洁，一样根本，一样秀丽”。物理学家们正面对生疏软物质这种简单体系运动规律的挑战。7.2 自组织装的起源：熵力、排空效应软物质中普遍存在自组织是与硬物质不同的重要特征。自然界物质形成，特别是生命的形成和进展以及某些材料制备，经常通过自组织来实现。因此，生疏自组织的起源是争辩软物质运动规律的重要课题。目前的根本生疏是，熵力、排空效应是导致自组织形成的主导因素。自然界自发产生的自组织装

25、现象随处可见，人们也可利用自组织装制备特别构造材料。因此，我们必需了解自组织装起源的原理和规律。7.3 体积分数效应和堵塞引起的相变软物质体系中组成单元的体积分数较高时，体积分数对软物质的行为有至关重要的影响。1968 年 Hoover 和 Ree 通过对硬球体系的理论计算，得到“随着硬球颗粒体积分数的增加，将发生从液态到固态的相变”的结果。实际问题格外简单。例如，玻璃是无序固体，液体也是无序态，都存在原子或分子间的相互作用。在常温下，玻璃不能像液体那样流淌。当玻璃熔化后则可流淌，缘由是什么?这仍是困惑物理学家的问题。而软物质体系，如颗粒物质、胶体和聚合物等，也存在体积分数效应。在日常生活中，

26、堵塞现象也处处可见，如血管堵塞、交通堵塞以及在管道输运中各种堵塞等。有些人提出，这是在体积分数足够高时发生的堵塞引起的非平衡相变。堵塞引起的相变仍是一个开放的问题。不同体系的“堵塞”态与流淌态的动力学是否一样?在颗粒、聚合物、胶体或泡沫等体系中通过外加切变力，是否与在玻璃体系增高温度等效?是否可用一个等效温度来表述软物质体系堵塞引起的相变?多尺度和不同外形构造单元组成的体系如何描述?这些 问题还有待进一步争辩。7.4 界面作用、尺度效应和受限效应很多实际软物质体系，如膜、外表活性剂、微流体以及大量生命物质等，均存在界面或受限于小空间，且多种尺度、多种软物质形态共存。体系影响因素更多，行为更为简

27、单，不但有软物质自身的运动，还有微观层次的物理和化学相互作用。目前的争辩工作多数只是针对具体对象进展，或对较简化的体系进展试验争辩和计算。7.5 颗粒物质运动行为颗粒物质是自然界、日常生活及生产和技术中普遍存在的一类离散态物质。颗粒物质与其他软 物质体系的主要区分是其尺寸较大，一般大于 1m，其势能比 kT 大 1012倍以上，因而颗粒体系中温度作用可无视不计，即相当于处在 kT=0 的状态。颗粒体系能量会通过与其他颗粒的摩擦和碰撞而耗散，呈现很多惊奇的运动行为。目前对颗粒物质的运动规律及其物理本质的生疏还很不深入，即 使对静态颗粒物质，也不能给出表述其状态的适宜方程。De Gennes 认为

28、，这一领域几乎每一件事都尚待理解。L. Kadanoff 则表示，不能用一般流体力学方程描述颗粒物质，它的丰富惊奇行为没有得到很好生疏。7.6 软物质的流变学简洁流体为牛顿流体，任何切变力均可引起流淌，流淌性质用粘滞性来描述。固体的弹性形变 和外加力间关系则通常用模量来描述。软物质既不同于液体，也不同于固体，通常表现为非牛顿流 体性质，切变强度与切变速率有关。软物质经常呈现出颖的流淌行为，使人们很难理解其缘由。 湍流减阻现象就是一例。在液体湍流状态，添加百万分之几的聚合物就可使液体流淌阻力下降约一 半，用这种方法可使消防救火时水喷射的距离大大提高。聚合物好似发生了“线团-伸展相变”，能阻挡湍流

29、状态消灭的耗散。而在聚合物流体中，分子的相互缠结猛烈地抑制着流淌，施加剪切作用 可使流淌加快，即剪切变稀效应。Edwards 和 De Gennes 等人给出了称之为“蛇行”运动概念来解释聚合物流变原理。在悬浮液发生流淌时，运动行为更为简单。一个悬浮颗粒的运动会因四周其他颗 粒的存在而受到扰动，流淌行为与湍流很相像。然而，对于此种运动方式的理解还不如对湍流的认 识多，既提不出一个类似雷诺数的量来表述向混沌的过渡，也提不出令人信服的渐近标度假设8 软物质的特性软物质的根本特性是对外界微小作用的敏感性和非线性响应、自组织行为、空间缩放对称性、简单性等。8.1 对外界微小作用有很强的反响是软物质的第

30、一个根本特征。自然橡胶分子的 200 个碳原子中，只要有一个与硫原子发生作用，就会使自然橡胶汁从液体变成具有弹性的固体；一滴卤水就能使一锅豆浆分散成豆腐；一滴骨胶可以使墨汁长期稳定而不沉淀； 一颗钮扣电池可以驱动液晶手表工作几年。软物质的这一由于受到外界微小的作用力而发生巨大状 态变化的特点，如同雕塑家用拇指轻压就能转变黏土的外形一般。这便是De Gennes 将之称为软物质的缘由。8.2 熵弹性是软物质的其次个根本特征。依据热力学理论，体系的状态由自由能F=U-TS 打算，其中U、T、S 分别为内能、温度和熵。体系的自由能低，则状态稳定。在软物质中，内能的变化很小，体系的变化主要由熵变引起。

31、软物质 三维运动规律和行为主要不是由量子力学和相对论的根本原理直接导出。从能量来讲，软物质的“软”与“可变”性来源于它们之间的相互作用的范德瓦尔斯力，其作用势在室温时可用 kbT 来衡量，因此构造的热涨落不行无视。8.3 简单性简单性有三层含义：1构成软物质的基元多数是化学构造颇为简单的链状和支状分或分子集团，远比量子物理学处理的单原子或多原子组成的简洁分子简单；2这些分子本身具有不同的功能团，如两亲分子的不同部位对四周介质具有不同的响应；3由这些分子自组织或自组装形成了各种简单构造，如蛋白质分子的折叠、外表活性剂分子在溶液中形成的单连通和多连通构造、镶嵌聚合物的奇异构造和胶体悬浮液中胶体颗粒

32、聚拢形成的分形构造等等。8.4 自组装自组装就是在肯定条件下，分子在溶液中通过空间自组织自发地产生一个构造确定、具有肯定 功能的微观有序构造的过程。软物质的自组织行为比通常的硬物质自组织更为简单。实际上，软物 质的一个格外重要的响应就是通过分子自身自组装、外界驱动或者熵作用下在空间区域形成一种相 干的有序构造，所谓空间自组织构造。常见的自组织有序构造有空间取向或周期有序消灭，如液晶。另一类自组织有序构造是所谓的标度对称性，即空间自相像构造，这类有序构造广泛存在于非平衡 的自组织现象里，特别发生在软物质自组装织演化后期。9 软物质的应用软物质物理是一个很大的领域，液晶、聚合物、胶体、生物膜、泡沫

33、、生物大分子及颗粒物质都是软物质。对食品、药物、化装品等的品质或作用的理解，对生命体系中DNA、蛋质、细胞等的变化规律的生疏，都需要从软物质物的角度加以阐述。油、气及离散态物质的生产、加工运输、储存甚至对交通流和相关灾难的生疏，亦有于软物质运动规律的深入了解。环境改进及污染理的很多相关问题也与软物质亲热相连。对于易形变的液晶高分子，力场作用不但会使分子链按力场方向取向，例如向列相在剪切作用下会形成特征的条带织构，而且承受片层修饰技术会观看到液晶片层在力场作用下弯曲，液晶基元则表现出展曲形变，在力场的进一步作用会使片层依照低能量的向错线及缺陷墙排列。对于柔性链高分子，力场的作用会使构造和性质发生

34、转变，如聚碳酸酯拉伸后分子链沿膜平面排列，表现正性光学双折射，而聚苯乙烯拉伸后则为负性光学双折射。10 软物质争辩展望对于应用来说，要加强以下方面的争辩：1软物质构造对其弱影响强响应特性的影响；2争辩调控高分子弱影响强响应特性的方法，3软物质弱影响强响应特性的应用。在充分生疏到争辩软物质的 6 个根本问题的重要性前提下，以下方向有待加强：1软物质中 根本物理问题的争辩，例如胶体和聚合物动力学和统计物理规律；2自组织装的起源争辩， 如熵、排空效应、堵塞效应等；3与水相关的软物质问题；4界面和受限状态的相关问题；5软物质在外场作用下的运动变化规律；颗粒物质运动规律，及与灾难相关的问题；生命软物质体系；6软物质流变学等。随着国际上对软物质，特别是生物软物质争辩的持续升温，以及争辩手段的不断提高，生物聚合物物理、块状共聚物物理、颗粒的动力学和构造、生物大分子、分子马达和人工纳米器件、大分子相互作用等领域可能取得进展。