[科普中国]-软物质

软物质（soft matter）是指处于固体和理想流体之间的物质。又称软凝聚态物质。一般由大分子或基团组成，包括液晶、聚合物、胶体、膜、泡沫、颗粒物质、生命体系物质（如DNA、细胞、体液、蛋白质）等。可以是固－液混合物、液－液混合物、气－液混合物等。在自然界、生命体、日常生活和生产中广泛存在。随处可见的橡胶、胶水、墨汁、洗涤剂、涂料、化妆品、食品等都属于软物质。1

特性软物质的基本特性是对外界微小作用的敏感和非线性响应、自组织行为、空间缩放对称性等。流体热涨落和固态的约束共存导致了软物质的新行为，体现了其复杂性及特殊性。软物质的组成、结构、相互作用及其宏观性质与普通固体、液体和气体大不相同。1
软物质对外界微小作用的敏感是软物质之“软”的含义来源。软物质的“软”是指受很小的外界作用会产生大的变化的特性。这种外界作用因对于不同体系而不同，可以是力、电、磁、热、化学扰动和掺杂等。如加一点卤水可使豆浆变成豆腐；加一些骨胶就可使墨汁稳定而不沉淀；非常小的电场可容易地改变液晶分子显示的状态；硫化橡胶是通过掺入微量硫（硫原子和碳原子之比为1∶200）而使其由液体转变成了有弹性的固体。不过几乎所有软物质在力学性质上来衡量也确实是软的物质。1
软物质与简单流体和固体对比，可看出它们之间的构成和组态的区别。简单流体中的分子可自由地变换位置 ，位置互换后的性质不发生变化。而理想固体的分子的位置是固定的。软物质则具有复杂的情况，有些是大分子或基团内的分子受到约束，不可自由互换。大分子或基团其间是弱连接，如聚合物溶液、液晶、胶体和颗粒物质等；有些是基团内外分别是可以互换的流体分子，而基团内外它们不可以互换，如液－液混合物和气－液混合物。1
以果冻和冰为例，比较软物质和硬物质之间的差异。果冻是由明胶分子和水组成，明胶分子通过水而弱连接在一起，因而很柔软，有较大的弹性。冰的硬性和强度起因于它的分子组成。冰中H2O分子是一个个紧密堆积的 ，分子间有强的相互作用，需要很大的作用力才可使冰发生变化。很强的挤压会破坏冰中原子间的结合，出现脆性破裂。冰是硬物质，果冻是软物质。水是具有一定体积而不能保持自身形态的物质，任何切变力都会使其产生流动。而果冻则可保持一定的形状，不会随意流动，或需要很长时间才会发生缓慢的变形或流动。软物质“软”的原因还与其组成分子聚集态的复杂性有关。以液晶为例，向列相分子的质心体现液体相，而其长轴的取向体现晶体相；近晶相液晶其分子的质心在一个平面上体现液体相，而在垂直方向上体现晶体相；而橡胶分子在微观局域态是液体，但宏观则体现为固体。因此，通常的固体属于硬物质，而一般的由小分子组成的液体和溶液也不是软物质。有人将普通液体（如水）和溶液称为超软物质。1

结构特征自组织是软物质的基本特性，软物质不具有旋转对称性或平移对称性，而形成特殊的相干序，具有空间膨胀对称性，或称缩放对称性。聚合物分子在溶液中的每一片段都会以无规行走的形式相对于它的前一片段随机扩展 ，无规行走步与步间的关联是无规的，而步在空间上的分布却并非无规，表现出自组织行为。胶体中颗粒的集聚也是如此，相邻颗粒无规地连接，而整体是有规的分布。但它的密度并非像一般固体或液体那样的均匀分布，而以随距离减小的规律分布，呈分形行为。用不同放大率观察聚合物分子溶液和胶体中颗粒的聚集，只要不放大到能看到分子组分，则不同放大倍数的图像看上去是一样的，即具有空间缩放对称性。几乎所有软物质都遵从这种规律。有些自组织形式出现在单个分子内，如DNA分子，它能承受扭转和弯曲，分子中某一点上的机械扭转，都会使分子的形态发生整体的改变。1
硬物质中原子间相互作用的内能对自由能的贡献远超过熵，物质的结构主要由内能决定，热涨落只起微扰作用。但对于软物质，构成单元间的相互作用弱，构形发生变化时内能几乎不发生改变。这意味着外部的微小扰动容易产生复杂的变形和流动，热涨落对系统的结构和行为有极大影响，即系统的特性在很大程度上取决于系统的熵。拉伸弹簧的恢复力由原子间的相互作用所决定，是硬物质的特性。

而橡皮这类软物质拉伸前后的情况很不一样：未拉伸的橡皮中聚合物分子处于卷曲状态，熵很大，总能量低；而拉伸的橡皮中聚合物分子被拉直，熵减小，能量增大。因此，拉伸橡皮的恢复力是“熵力”所驱动。1在“熵力”的作用下，软物质体系会出现很多新奇的行为，比如原本混乱的微观体系会变得井然有序，复杂的蛋白质分子会自行折叠成特殊的结构等。利用这些性质，可以制造许多有特殊性质的软材料，它们是硬材料难以取代的。

软物质的基本特征可总结为“小作用，大变化”，即在外界微小的作用下可能产生结构或性能上的显著变化。对于不同体系，这种外界作用可以是力、热、电、光、磁及化学扰动和掺杂等。许多软物质材料具有特殊的物理性能，或在特定的外界刺激下显示出特殊的性能，我们称之为功能软物质材料。例如：电流变液/磁流变液在电场/磁场作用下黏度可发生巨大的变化，可称之为电/磁响应功能软物质材料。1

四种常见材料功能软物质材料一般由功能性大分子或基团组成，通常是高分子材料或复合材料。本文主要介绍4种常见的功能软物质材料：液晶、功能膜、水凝胶及复合功能材料。

1 液晶材料

液晶是一种为大多数人所熟知的功能软物质材料。某些物质在熔融状态或被溶剂溶解之后，失去固体的刚性，同时获得液体的易流动性，并保留着部分晶态物质分子的各向异性，形成一种兼有晶体和液体的部分性质的中间态。这种由固态向液态转化过程中存在的取向有序流体称为液晶。能形成液晶的物质通常在分子中具有刚性结构，习惯上称为液晶基元。液晶基元通常是棒状或盘状，有利于分子的有序堆积。按照分子量的大小，可以将液晶分为小分子液晶和高分子液晶。高分子液晶的分子内存在刚性结构，分子间作用力大，容易形成有序堆积结构，因此结晶度高，力学性能好，物理化学性质稳定。其有序性可以将分子的折射率、偶极矩、磁化率、剪切黏度、旋光性等微观特征宏观化，表现出特殊的光、电、磁和力学效应。另外，高分子液晶的相态结构受环境因素影响显著，如温度、溶剂、电场和磁场等，调整这些因素可以改变材料的晶相结构，进而改变材料的相关属性。目前广泛使用的液晶电视，就是利用液晶里的晶体在电场作用下发生偏转或扭转，使液晶屏的透光率改变，产生像素单元的明暗变化，进而实现显示功能的。高分子液晶的这些特殊物理化学性质也使其在高性能工程材料、图像显示材料、温度和化学敏感器核心材料、非线性光学材料和压电材料等方面有重要的应用。

复旦大学俞燕蕾等设计了一种新型结构的侧链液晶高分子材料，实现了精确光控微量液体运动。这种液晶高分子的主链具有类似橡胶类材料的柔顺结构，侧链中的偶氮苯既是液晶结构，同时又是光响应基团，较长的柔性间隔基有利于液晶有序结构的形成。将液晶高分子溶液涂覆于毛细管模板，溶剂挥发后分离毛细管模板即得到管状执行器。利用衰减光照射并精确调控微管执行器，所产生的不对称光致形变可诱导产生毛细作用力，从而驱动液体运动。这一微管可用于模拟人工血管通道，开创了“柔性通道”的新方向。

2 功能膜材料

日常生活中另一常见的软物质功能材料是功能膜。普通合成膜材料如广泛应用于农业生产的塑料膜或保鲜膜等，主要用于隔离与保护方面；用于混合物分离目的的功能膜材料最早可追溯到1846年，Schonnbein使用硝酸纤维素制成有实用意义的气体分离膜。1960年后膜科学进入黄金发展期，大量功能膜材料涌现。这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划分为分离功能膜（气体分离膜、液体分离膜、离子交换膜、化学功能膜等）、能量转化功能膜（包括浓差能量转化膜、光能转化膜、电能转化膜、导电膜）、生物功能膜（探感膜、生物反应器、医用膜）等。分离膜是最重要的功能膜。利用膜对不同物质的透过性不同，在一定的传质推动力下，可以对混合物进行分离。分离膜的材料种类有很多，在这其中天然高分子材料已经得到广泛应用。天然高分子分离膜材料主要有改性纤维素及其衍生物类、壳聚糖类、海藻酸钠类等。以纤维素及其衍生物膜为例，用乙酰基取代羟基制备得到的醋酸纤维素，分子间作用力减弱，分子间距增大，制膜工艺简单，成膜后选择性高、透水量大，在中空纤维膜的制备中有较好性能，也已经应用于气体分离、血液过滤等。Sabira等使用醋酸纤维素和聚乙二醇复合制备反渗透膜，具有良好的亲水性能，脱盐率达到99.8%，复合膜的选择渗透性非常优秀。Miao等用聚乙烯醇和羧甲基纤维素制备复合纳滤膜，该膜对Na2SO4和NaCl的脱盐率达到93.7%和32.6%，其较高的渗透通量使得其有海水脱盐和硬水软化的应用潜力。Lan等用二甲基亚砜与三氯甲烷溶解二醋酸纤维素，制得的纳米纤维膜对牛血清蛋白的吸附含量为300.11 mg/g，说明纤维素及其衍生物膜材料也可应用于蛋白质浓缩分离。对于纤维素类膜的研究主要集中在提高化学稳定性、压密性等，可通过改性纤维素类材料如引入脂基改善亲水性来达到目的。除天然高分子分离膜材料外，还有聚烯烃类膜材料、聚酰胺类膜材料、聚砜类膜材料、含氟高分子材料、芳香族杂环材料等作为原料制得的高分子分离膜。

近年来对膜材料的智能化研究越来越受到关注，智能膜材料的结构、有效孔径、膜的通量以及膜的性质可以随着光、电、温度和pH等因素的改变而发生变化，这种能对外界刺激做出相应变化的特点促使智能膜材料成为新型的功能性膜材料。智能膜在控制释放、化学分离、生物分离、化学传感器、人工细胞、人工脏器等领域有潜在应用价值，是膜科学与技术领域的重要发展方向之一。

3 水凝胶

水凝胶是一种三维网络聚合物，可以吸水溶胀并保持大量水分。1960年Wichterle和Lim合成第一个交联的聚羟乙基丙烯酸甲酯（PHEMA）水凝胶，此后水凝胶优良的溶胀性、透过性、生物相容性等得到证实，并在日化、环境、食品以及生物医学等领域广泛应用。

在生物医学领域，由于水凝胶具有多孔结构、较好的生物相容性和仿生特点等，水凝胶在如创伤敷料、药物释放载体、组织工程等方面有重要应用。常用聚乙二醇、聚乙烯醇、海藻酸、纤维素、多聚糖等人工合成或天然高分子材料制备水凝胶敷料。相比传统敷料，水凝胶敷料具有更好的亲水性，而且弹性好、柔软服帖、透水透气，换药时对创面的影响很小。在制作水凝胶敷料时还可以加入一定的药物，让药物在创口处缓释，达到局部抗菌的功能。

在水凝胶中引入亲水性基团、抗菌基团，如聚乙二醇、两性离子等，可合成具有特殊作用的水凝胶（如抗菌、生物相容性好、改善药物的温度酸度敏感性），作为药物输送载体。在药物输送载体水凝胶中，纳米水凝胶是目前的研究热点。纳米水凝胶具有和宏观水凝胶相似的性质和优点，包括良好的生物相容性、理想的理化性质和机械强度等。此外，纳米水凝胶还有更多的优点，如静脉注射时纳米水凝胶抵达宏观水凝胶难以抵达的人体部位，还可以被细胞摄入，作为小分子药物的载体。

4 复合功能材料

以软物质材料为基础的复合材料，通过引入具有特殊功能的成分，赋予了软物质材料新的功能。以微流控领域常用的高分子材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）为例，由于其透明、生物相容性好、容易加工且有较好的柔性，在微流控芯片领域有着重要的应用。然而PDMS对其他外界刺激不敏感，并且与其他物质之间较难黏合，诸多电学、磁学等相应功能无法应用到PDMS微流控芯片当中，因此，将PDMS材料功能化有着重要的意义。2

宏观性质软物质展现出许多特别的宏观性质。聚合物分子加入液体中的奇特流动性质和颗粒物质振动的分离行为即可说明。由于大气压强的作用，液体会出现虹吸现象。若在普通的液体中掺入少量的长链聚氧乙烯分子，就可观察到无管虹吸现象。即使将虹吸管口抬高到离液面20厘米的距离，水仍然保持虹吸流动而不中断。这一现象的简单解释是：聚氧乙烯的长链分子在静止水中为卷曲状态，水流动时链状分子会被拉伸，伸展的分子像拉长的弹簧一样，对水有拉伸力，抵消了水柱的重力，使其继续流动。液体中加入聚合物分子也能使液体流动阻力减小，若在水中加入少量（约万分之二）聚氧乙烯，就可使喷射的水柱增高约30%。这一效应在管道输送液体和航运等领域有重要应用。一般认为，这种效应的产生与链状分子的形态对水流的湍流有抑制作用相关。颗粒物质也是一类软物质。装有大小不同的颗粒的容器垂直振动时，一般会观察到大的颗粒往上浮、小的颗粒往下沉的分离现象。有些情况下也发生大颗粒往下、小颗粒上浮的分离。要使液体均匀混合，只需不停地摇晃，即可达到目的。而颗粒物质却是越摇越分离。这种现象还在进一步深入研究中，尚无明确的解释。1

发展和应用软物质研究领域非常广泛，并不断深入到新的层次。如表面活性剂双亲分子的研究，加入表面活性剂可使两种不相溶液体形成平衡分散体液体，称为微乳液，就是涉及界面和分子的层次的问题。电（磁）流变液是通过施加电（磁）场可改变其软硬程度的新型智能流体，有重要的应用价值。对生物体中软物质诸如DNA等的研究，则更是具有重大意义的活跃研究方向。1
20世纪以来，物理学家加深和扩展了对世界的认识，深入研究了硬物质，对于技术和社会产生了巨大推动作用。相对论和量子力学占有统治地位。在其发展的同时也出现了一些观察问题的新见解。其中之一便是许多凝聚态系统中出现的尺度缩放对称性，正是这一对称性支配着物质进行连续相变的行为。导致这一现象的原因恰恰是普通力和随机涨落之间的结合。软物质的许多特性就是因此而形成的。1
软物质是一类复杂体系，这类物质的奇异特性和运动规律尚未得到很好的认识。软物质的丰富物理内涵和广泛应用背景已成为凝聚态物理研究重要前沿领域。20世纪80年代，一般以复杂液体一词来概括诸如聚合物、液晶 、胶体类物质。1991年，法国著名物理学家P.德·热纳在诺贝尔奖授奖会上以“软物质”为演讲题目，自此“软物质” 这一称谓在国际上得到公认，推动跨越物理、化学、生物三大学科的交叉学科的发展。国际上许多大学和研究机构现均在大力开展软物质领域的研究。1

软物质与人们生活休戚相关，在生产和技术上有广泛应用。对软物质的深入研究将对生命科学、化学化工、医学、药物、食品、材料、环境、工程等领域及人们日常生活有广泛影响。软物质物理已成为物理学的一个新的前沿学科，也是物理科学通向生命科学的桥梁。1

21世纪被称为生命科学的世纪。任何生命结构（DNA、蛋白质等等）正是建立在软物质的基础之上。作为人类未来技术中的重要组成部分以及生命本身不可或缺的基石，软物质的广泛研究和应用显得极为重要。

本词条内容贡献者为:

王强 - 副教授 - 西南大学