軟物質是什麼，能吃嗎？_風聞

撰文 | 盧宇源****編輯 | 辛味

來源：中國科學探索中心

我教學的目的不是為了考試，也不是為了服務於工業或者軍事，而是為了讓你們欣賞這個奇妙的世界，並領會物理學家看待這個世界的方式。

——費曼

圖源：視覺中國

從玻璃談起——物質不只有簡單的三態

在談“什麼是軟物質”前，我們有必要回顧一下物質的形態。一般情況下，物質有三態，分別為氣態、液態和固態。人們熟知的水的三態分別是水蒸氣、液態水和冰。

這三類物態可以互相轉化，稱之為物質的相變——固態可以通過昇華成為氣態（這裏固態指晶體的固態，它的微觀結構是有序排列的），反之為凝華；固體可以融化為液體，反之為凝固；氣體可以液化為液體，反之則為氣化。

水的三態 | 來源：網絡

以上只是關於相變最基礎的內容，事實上，真實世界中的物質不只有三態。生活中最常見的玻璃，就很難説它是固體還是液體。雖然玻璃看起來是固態，但它的原子尺度上的排布是“遠程無序”的，類似結構的還有瀝青、松香等，它們表現出更像液態。在歐洲一些古老的教堂中，玻璃下半部分比上半部分更厚，部分學者認為“玻璃在重力作用下緩慢地向下流動，就像水一樣往下流，使得其下半部分相對厚一些”。

對於這種些神奇的物質，科學家給它們定義了新的形態——玻璃態。

玻璃化轉變

玻璃是如何製造的呢？當物質加熱到液態時迅速冷卻就形成了玻璃（科學證明，幾乎所有的物質都具有這一性質）。從原理上看，液態物質在快速加壓或快速降温時，會避開結晶進入過冷態，形成了不穩定的過冷液體（可以簡單地理解為温度低於凝固點，但沒變成固體），也就是説，本來應該變為固體的物質卻沒成為固體。當過冷度（實際結晶温度比理論結晶温度低，兩者差值為過冷度）繼續增加時，體系的粘度不斷飆升，這一過程稱之為玻璃化轉變。當體系變得過於黏稠而失去流動性就形成了非晶態的固體，也就是玻璃。

燒製玻璃 | 來源：Vetropack Group

小玻璃，大問題

小小的玻璃與人類文明的進步和繁榮緊密相連。5000年前，古巴比倫人制造出來了世界上第一塊人造玻璃，古希臘人用“流動、熔融的石頭”來描述玻璃；我國在1000年前製造出了無色半透明的的“琉璃”。

但是，我國的玻璃技術發展相當緩慢，今天我們很難在博物館裏看到精美的玻璃。有些研究科學史的學者就在回答“李約瑟問題”（為什麼近代科學沒有在我國誕生）時提出，我國古代鋼鐵冶煉技術、陶瓷加工技術過於繁榮，玻璃技術較為落後，而玻璃是誕生近代科學的最有力工具——藉助玻璃獨特的光學特性，人類發明了能觀測星空的望遠鏡，由此發現了萬有引力定律；還發明瞭能觀察細胞的顯微鏡，逐漸演變出現代分子生物學，為近代科學發展和人類瞭解物質世界起了至關重要的作用。

18世紀晚期德國生產的顯微鏡 | 來源：hsm.ox.ac.uk

玻璃的結構本身帶來的科學問題，也促使着科學家瞭解物質結構與性質而努力。玻璃是一種非晶物質，而關於這類物質的研究具有極高的科學價值。到目前為止已有四位科學家因非晶相關工作獲得了諾貝爾獎，例如非晶態聚合物本體無規線團模型的提出（1974化學獎），非晶電子定域特性的發現（1977物理獎），還有我們現在生活必不可少的光纖——華裔物理學家高錕發明了高純度玻璃光纖而獲得了2008年諾貝爾物理學獎。

四位科學家因非晶相關工作獲得諾貝爾獎，從左至右分別是P.J.Flory（1974），P.W.Anderson、N.F.Mott（1977），高錕（2009） 

瞭解玻璃態的本質也一直也是凝聚態物理及軟物質領域的重要研究內容。2005年，國際頂級期刊Science在其創刊125週年專輯中，提出了21世紀科學研究面臨的125個重大科學問題。其中第22個便是“玻璃態的本質是什麼”？如今十多年過去了，該領域仍未有大的突破。

Science創刊125週年時提出了125個重大科學問題 | 來源：Science

正因我們不瞭解玻璃態的本質，在處理相變問題時很多不可控的因素就出現了。比如1986年“挑戰者”號航天飛機在它第10次任務時，升空72秒就發生爆炸，7名宇航員全部喪生。最後調查發現，是因為發射時氣温過低，寒冷的天氣使火箭內的墊圈發生了玻璃化轉變，導致火箭內部的可燃氣體泄露，最終釀成了悲劇。

挑戰者號航天飛機 | 來源：NASA

軟物質兼具固體和液體的性質

與玻璃類似，處於固體和理想流體之間的物質就是軟物質。軟物質通常由大分子組成，包括液晶、聚合物、膠體、膜、泡沫、顆粒物質、生命物質（如DNA、RNA、蛋白質）等。在自然界、生命體、日常生活和生產加工中廣泛存在。橡膠、膠水、墨汁、洗滌劑、塗料、化妝品、食品等都屬於軟物質。

軟物質的研究歷史其實很短，但人們接觸它的歷程很久遠。人類很早就接觸到了天然橡膠這種典型的軟物質。在19世紀，已經有大量的軟物質被發現，科學家想要一種理論描述這類物質的性質。1928年，賓漢（Eugene C. Bingham）提出了流變學（Rheology），可是科學家很快發現這類物質很難用單一的理論來解釋“複雜流體”。與此同時，使用軟物質的材料作為技術應用越來越多——很長時間以來，科學家都不瞭解這些軟物質背後的共性。

到了20世紀80年代末，科學家才認識到軟物質是一類具有特殊運動規律的物質形態，將其作為一類普遍的物質形態來研究。這一覺醒要歸功於物理學家德熱納（P.G.de Gennes），他因發現研究簡單系統中有序現象的方法可以被推廣到比較複雜的物質形式，特別是推廣到液晶和聚合物的研究中而獲得了1991年的諾貝爾獎物理學獎。他在當年的諾獎頒獎典禮上發表以“軟物質”為主題的演講，正式介紹了“軟物質”這一術語，很快就得到了學界的普遍認可——一門古老的新學科出現了。

 P. G. de Gennes

時空尺度上的軟物質

軟物質的基本特性包括：對外界微小作用非常敏感，其響應通常是非線性的、且普遍存在自組織行為等。因此，其結構與宏觀性能與普通固體、液體和氣體大不相同。為什麼軟物質會讓科學家如此與眾不同呢？我們可以從能量和時空尺度的角度來看軟物質的形成過程。

自然界的普遍規律是系統的能量越低就越穩定。原子核外電子的排布也遵循這一規律，多電子原子在基態時，核外電子總是儘可能地先佔據能量最低的軌道。平常所用的乙烯塑料（CH2）n，碳原子外層4個電子，可以連接一個碳原子和兩個氫原子，形成8個電子的穩定結構，還能形成一個穩定的長鏈——聚乙烯。但對於這些高分子來説，在不同的空間尺度上看它會展現出截然不同的力學特性。

聚乙烯分子模型 | 來源：網絡

如果在一個相對較大的納米尺度來看，聚乙烯長鏈其實是一個完全無規則的線團。它們的表現的就像彈簧一樣；如果用力把分子拉開，這條分子鏈會因為熵作用而回縮。

科學家發現，在空間結構上，分子鏈行走距離的平方的平均值和行走的步數成正比。而在時間上，如果沒有任何限制，一條高分子鏈響應時間和鏈長度的平方成正比。如果有其他分子鏈的干擾（熔體），它的響應時間和長度的立方成正比。

什麼是響應時間？就是物質從一個狀態轉變為下一個狀態的時間。在日常生活中，以最常見的物質來説，水、空氣的組成分子都是小分子（幾個原子組成），它們的響應時間假設為1皮秒（10-12秒），我們自然無法感知它的響應。我們看到的物態相對就是固定的，是液體或者氣體，看不到處於這兩者之間的狀態。但對於軟物質（高分子）來説，由於成冪指數的關係，它的響應時間可以很慢，以至到人能感知到轉變的中間過程。

軟物質的應力-應變曲線非單調變化

另一方面，軟物質的應力-應變曲線也兼具固態、液體的性質。對於理想固體來説，如果對它進行應變（形變），它的應力和應變之間就是簡單的線性關係。例如，從中學物理學過的胡克定律可知，彈簧的彈力和伸長量成正比。

對水、酒精等流體，它們的應力應變反映出其黏滯性。流體運動時，液體內部不同位置的運動速度不同，會表現出阻力的作用，給我們的感受就是這種液體“黏稠”。對牛頓流體（理想流體）來説，它的粘滯係數是一個常數，流體截面受到的力（剪切應力）和剪切應變速率成正比——力越大，流動得越快。

然而，對於軟物質（比如熔融狀態下的塑料，屬於高分子熔體），它們不滿足這樣的簡單關係，黏滯係數非單調變化。有可能用的力越大，液體的粘度越大或越小。原因在於，一是軟物質材料中高分子鏈的連接性（化學共價鍵讓它們連在一起）；二是高分子鏈之間還有纏結效應（不可相互穿越性）。

一般來説，響應時間非常短的情況下，物質的黏度就會非常大，相當於彈性固體。我們平時生活中常見的軟物質食物，如蛋清、果凍等，如果在特別短的時間尺度內“響應”，它們就很黏稠甚至堅硬，表現出固體的性質。

即使是水，對於跳水運動員來説，如果從很高的地方跳入水中——入水時間極短，水對人的壓力非常大，原因是水此時會表現出固體的性質。如果以很慢的時間尺度去感受，它們跟普通液體沒有什麼區別，相當於粘性流體。

軟物質的應用

由於人類能感知的時間尺度約為0.1秒，恰好在一箇中間的時間尺度，因此我們能看到軟物質非常之多的神奇性質。而這些性質中或許就藏着改變世界的秘密，等待着我們發現。

軟物質的奇異特性，最廣為認知的例子就是“非牛頓流體”。近年來，非牛頓流體是各種綜藝節目的常客，“口香糖開椰子”，“水上漂”之類的表演，正是利用了這類流體的特性。我們能輕鬆製作非牛頓流體，只需要用玉米澱粉和水以2：1的比例混合，就能得到一種非牛頓流體。

但需要注意的，儘管非牛頓流體和軟物質具有相似的性質，但兩者並不等同。因為前者是力學上的定義——剪應力與剪切應變率之間不滿足線性關係的流體，也就是前文所説黏度不為常數的物質，而後者的範圍更廣泛。

非牛頓流體的最大特點就是它“吃軟不吃硬”。如果用很高的速度去撞擊它，會遇到非常大的阻力，甚至子彈都不能擊穿。但換用温柔的觸摸，就能輕鬆改變的形態。非牛頓流體的這一性質，和時空尺度上來看軟物質是同樣的道理——在很短時間內它變得非常堅固，而長時間的情況它表現非常“柔軟”。

口香糖開椰子 | 來源：網絡

軟物質在當代科技中也有重要的應用，這裏分享兩個例子。第一個是解決金屬和塑料的結合的問題。若想結合兩種材料，最樸素的辦法就是用膠水將兩者粘在一起。但是由於金屬和塑料的膨脹係數不同，在冷熱變化時混合材料就很容易開裂。手機充電時，其温度會比平時使用温度高，這時如果手機內的金屬和塑料不牢固，機器就會出現問題。

為了解決開裂的問題，科學家從樹根得到了啓發——樹系完全長在土裏，能否讓塑料也長在金屬中？由此科學家在金屬表面進行納米蝕刻，再把軟物質形態的塑料灌進去，這樣高分子的塑料和金屬就完全“生長”在了一起。

利用同樣的辦法還實現了金屬與陶瓷、複合材料等物質之間的結合。這就是納米注塑成型技術（NMT），一種將金屬和塑料以納米技術相結合的工藝，最初由日本大成（Taiseiplas）株式會社於2002年發明，目前以廣泛運用於手機制造行業。一項數據顯示，2015年國產手機中有40%的外殼採用了該技術。但是，這種技術只對部分高分子材料才有效，控制熔融狀態下的材料尺寸也很困難，涉及到相當多關於軟物質的問題。

金屬和塑料黏合 | 來源：AnandTech

第二個例子是飛機輪胎。目前我國民航使用的飛機輪胎90%以上都是從國外租借來的，我們在製造民用飛機相對落後的原因之一就反映在飛機輪胎的橡膠材料上。由於我們對軟物質以及軟物質/納米粒子共混材料的控制研究不足導致一系列的技術落後。而相關技術始終被國外一些企業控制和封鎖。飛機飛行兩個月，就需要更換一次胎面膠，大概更換2-4次他們會把輪胎拿走直接換新。

航空輪胎 | 來源：網絡

飛機輪胎對於飛機起降的安全至關重要，要求極高的抗衝擊性能，同時還不能因為摩擦產生過高的熱量導致材料變形，因此相關技術也堪稱“黑科技”。從微觀上看，材料內是高分子添加了一些納米粒子，形成了多種不同的網絡結構。對於這樣的微觀軟物質體系的調控，是國際性難題，也亟需我們這一代和未來的有識之士投身，最終解決這個重大前沿科學問題。

盧宇源：中國科學院長春應用化學研究所副研究員，長期從事軟物質物理相關的基礎研究。

本文經授權轉載自微信公眾號“中國科學探索中心”。

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