這場諾獎報告宣告了軟物質研究領域的誕生_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2022-05-18 15:36
德熱納（Pierre-Gilles de Gennes，1932.10.24-2007.5.18）是法國著名物理學家，在合金超導、液晶和高分子等物理和化學領域裏有重大貢獻。“因為發現從簡單系統的有序現象中發展起來的研究方法能夠推廣至更復雜形態的物質（特別是液晶和聚合物）”而獲得1991年的諾貝爾物理學獎。
下文是德熱納在1991年12月做的諾獎報告。現在可以見到2個英文版（略有差異）[1-2]和3箇中譯稿（差別略大一些）[3-5]。有人認為，這次報告正式宣告了“軟物質”這個領域的誕生（儘管相關的研究已經有大概一百年了）。今天是德熱納教授逝世15週年的日子，我根據這5個版本重新翻譯了一遍，希望這個新的中譯稿更適合閲讀。參考文獻採用Rev. Mod. Phys.的格式[2]，人物的中文譯名大多沿用《諾貝爾獎講演全集·物理卷IV》[4]，註釋部分大多沿用吳大誠教授的貢獻[3, 5]。
撰文 | Pierre-Gilles de Gennes
翻譯 | 姬揚（中科院半導體所研究員）
德熱納的諾貝爾物理學獎報告
（1991年12月9日）
什麼是軟物質？美國人喜歡説“複雜流體”，雖然這個名字不好聽，還會讓學生們望而生畏，但確實説明了軟物質的兩個主要特徵：
(1)複雜性。我們大致可以説，現代生物學已經從研究簡單模型體系（細菌）進入到研究複雜的多細胞組織（植物、無脊椎動物、脊椎動物……）。類似的，從本世紀上半葉原子物理學的迅猛發展中，誕生的一個分支就是軟物質，它的基礎是聚合物、表面活性劑、液晶，還有膠體粒子。
(2)柔性。我想用早期的聚合實驗説明這個特性。它起源於亞馬遜河流域的印第安人，他們收集三葉膠樹的樹汁，塗到腳上，讓它在短時間裏變幹。看！他們就有了一雙靴子。從微觀的角度來看，起初是一堆互不相干的、可變形的高分子鏈，隨後空氣中的氧在鏈與鏈之間搭建起了氧“橋”，因此導致了驚人的變化：從液體變成了能夠承受拉伸的網狀結構——現在稱之為橡膠（法語是caoutchouc，直接採用印第安語的發音）。這個實驗讓人吃驚的是，非常微弱的化學作用也能引起力學性質的巨大變化——這是軟物質的典型特徵。
當然，利用其他一些聚合物體系，我們可以建造更剛性的結構。酶就是一個重要的例子。酶有很長的氨基酸序列，摺疊成緊密的球體，其中為數不多的幾個氨基酸起着關鍵作用：它們組成了“活性位置”，執行特殊的催化作用（或識別作用）。雅克·莫諾（Jacques Monod）早就提出過一個有趣的問題：序列中的每一點都有20種氨基酸可供選擇，希望組建一個受體位置，以某種嚴格的方式手段在空間定位其中的活性單元。我們不能簡單地把這些活性單元放在一起，因為這樣不能實現正確的取向和定位。因此，在兩個活性單元之間需要有“間隔區”，它是一組氨基酸序列，有足夠的變化能力使得間隔區兩端的活性單元很好地實現相對的定位。莫諾的問題是：間隔區的最小長度是多少？
已經證明（de Gennes, 1969），答案是相當明確的。這個魔數大約在13~14附近。少於14個氨基酸，通常不能得到期望的結構；大於14，就會有很多種合適的序列。論證是很原始的：考慮了體積排出效應，但沒有認識到穩定酶的另一個條件，那就是酶的內部應該是疏水基，而外表面應該是親水基。但我的猜想是：魔數因此導致的變化不會超過一個單元。確實，當我們考察簡單的球蛋白（如肌球蛋白）的間隔區尺寸，就發現它們與魔數相差不大。
讓我們回到溶液中的柔性高分子聚合物，概述它們的某些奇特的力學性質。安德魯·凱勒（Andrew Keller）和同事設計的四輥實驗（譯註：“四輥實驗”這個詞不常見，這裏採用了吳大誠教授的譯法，因為他是高分子聚合物方面的專家。）是很好的例子（Keller and Odell, 1985; Odell and Keller, 1985）。此處，高分子線團的稀溶液承受純粹的縱向剪切力。恰當地選擇出射軌跡（在出射通道的對稱平面上），分子將長時間承受應力。結果是，如果剪切率大於某個閾值，就會突然發生轉變，介質將變成雙折射性的，這就是我説的“捲曲-伸展相變”（de Gennes, 1974）。當剪切力開始讓線團打開時，對於流動的控制
關於聚合物我已經談了許多，照理應該同樣談談膠體，我更願意稱之為“超分散物質”。但是在哥特堡的諾貝爾討論會，我剛剛就此做過一次講演，所以我將略去這個話題，儘管它在實踐上非常重要。
現在談談表面活性劑——其分子有兩部分：親水的極性頭和厭水的脂肪烴尾巴。本傑明·富蘭克林（Benjamin Franklin）用表面活性劑做過一個漂亮的實驗。在克拉芬公園（Clapham Common）的一個池塘裏，他傾入少量的油酸——這是一種天然的表面活性劑，傾向於在水和空氣的界面上形成緻密的薄膜。他測量了鋪滿整個池塘所需的油酸體積，知道了面積，就得到了薄膜的厚度。按照現在的單位，大約是3納米。就我所知，這是第一次測量分子的大小。今天，我們熱衷於超級複雜的玩意兒，比如原子核反應堆或同步加速器，但我更喜歡向學生們講述富蘭克林這種風格的實驗。
表面活性劑可以保護水的表面，也可以吹漂亮的肥皂泡，讓孩子們開心。我們對於肥皂泡的理解，主要來自於一個著名的研究羣體：米塞爾斯、施諾達（Shinoda）和弗蘭克爾（Frankel），他們寫過一本專著（Mysels, Shinoda, and Frankel, 1959）。不幸的是，這本書現在很難找到了，我非常希望能重印它。
很久以前，弗朗索瓦茲·布羅沙爾（Francoise Brochard），讓·弗朗索瓦·倫農（Jean Francois Lennon）和我對某些雙分子膜體系產生了興趣（Brochard and Lennon, 1976），這裏有兩層表面活性劑，每一層的親水基都指向鄰近的水。與此有關（雖然更復雜）的一種系統是紅血球。人們早就知道，用相襯顯微鏡觀察，可以看到這些細胞會閃爍，有段時間曾經認為，這種閃爍反映了非平衡條件下活物質體系的不穩定性。最終發現事情很簡單，不溶性雙分子膜的基本特性是：在表面活性劑分子數量固定不變的情況，面積要達到最佳化。因此，能量相應於面積達到極值：表面張力等於零。這就意味着，這些癟下去的細胞（或“小泡”）的形狀可以有巨大的漲落：閃爍正是柔性物體布朗運動的一個實例。讓·弗朗索瓦測量了閃爍的空間-時間關聯，然後他證明，利用一個不含表面張力、僅有彎曲能量和粘性力的模型，就可以理解這些關聯——這是軟物質另一個絕妙的例子。
事實上，這就是研究表面活性劑雙分子膜體系（由W·赫爾弗裏希（W. Helfrich）開創）和更正式些的隨機表面（特別是D·納爾遜（D. Nelson））的一個出發點。這個領域中的一個偉大成就是發現了微乳液的“海綿相”（Porte et al., 1988; Roux and Cates, 1992），但是更一般地説，有趣的是從這些人瞭解到，高大上的弦論和肥皂泡的描述之間有一些思想上的交疊！
現在，讓我走向花園的另一個角落——液晶。首先我必須讚頌兩位偉大的先驅：(1)喬治·弗裏德爾（Georges Friedel），是精確理解何謂液晶及液晶主要類型的第一個人；(2)查爾斯·弗蘭克（Charles Frank），他（參考奧森的一些早期工作）創建了向列相液晶的彈性理論，還描述了很多的拓撲缺陷（“位錯”）作了。這裏我只談論近晶相。弗裏德爾觀察近晶相液晶中的某些缺陷（“聚焦圓錐”[譯註：這裏採用了吳大誠教授的譯法]），認為它們必定是液態的、等間距的和可形變的雙層結構（Friedel, 1922）。根據100微米尺度上的觀察結果，他能夠推斷出1納米尺度上的正確結構——真是了不起。
近晶相液晶很自然地帶出複雜流體的另一個重要特徵——也就是説，現在可以製造新形態的物質。上面提到的海綿相就是一個實例。另一個引人注目的例子由R·B·梅耶（R. B. Meyer，大約1975年在奧爾塞）發明的鐵電近晶相。他想設想手性分子進行某種排列，可以自動生成帶有非零電偶極矩的相（即“C*相”）。幾個月以後，我們當地的化學家就合成出正確的分子，第一個鐵電液體就誕生了（Meyer et al. , 1975）！今天，這種材料對顯示器非常重要——它們的轉換比手錶中的向列相液晶快10^3倍。
另一不太重要但十分有趣的例子是由M·韋西埃（M. Veyssie）和P·法布爾（P. Fabre）研製的“鐵近晶相”。出發點是水基的鐵磁流體——非常微小的磁體顆粒的懸浮液[鐵磁液體很久以前由R·羅森斯韋格（R. Rosensweig）發明，具有很多奇異性質]。這裏需要製備一種“多層三明治”結構：
雙分子膜|鐵磁液體|雙分子膜|…
最早製備傑納斯顆粒的技術基於球狀粒子，它的一半嵌在塑料裏，另一半進行硅烷化處理（Casagrande and Veyssie, 1988; Casagrande et al. , 1989）。這種方法只能生產極微量的材料。然而，戈爾德施密特（Goldschmidt）研究所的一個小組發明的解決方法要聰明得多 (Gruning et al. , 1987)。首先收集中空的玻璃球粒（有商品供應），將外表面疏水化，然後把球顆粒壓碎！最終得到一面親水、另一面疏水的碎片，儘管形狀不規則，但可以成噸地批量生產。
現在我想用幾分鐘談一談軟物質研究的風格。第一個主要特點是實驗有可能非常簡單——符合本傑明·富蘭克林的精神。請讓我舉兩個例子。第一個例子是纖維的浸潤。將一根纖維浸入液體然後快速抽出來，通常將會出現一串液珠，有一段時間人們都認為，大多數普通纖維是不浸潤的。F·布羅沙爾從理論上分析了曲面上的平衡，認為在很多情況下，在纖維上各個液滴之間應當有浸潤膜。J·M·德梅格尼奧（J. M. di Meglio）和D·凱雷（D. Queré）非常高明地確定了液膜的存在和厚度（di Meglio, 1986）。他們製備了一大一小兩個相鄰的液滴，並證明小液滴緩慢淌空而進入大滴（因為毛細作用）。通過測量這個過程的速度，他們推導出纖維上連接兩個液滴的液膜的厚度：液膜中泊肅葉流速強烈依賴於液膜的厚度。
另一個高明的浸潤實驗涉及接觸線（固體上液滴的邊緣）的集體模式。假如用某些外界作用讓接觸線發生形變，它回覆到平衡形狀的弛豫速率依賴於我們要研究的形變的波長。但是，怎樣才能讓接觸線發生形變呢？我想了一種很複雜的笨辦法，利用蒸發製備的金屬梳狀電極之間的電場，還有其他更糟糕的辦法。但蒂裏·翁達庫夫（Thierry Ondarcuhu）提出了一種簡單的辦法：
(1)首先把一個大液滴放到固體表面上，得到無干擾的接觸線L；
(2)然後，把纖維浸入同樣的液體裏，再把它抽出來，由於瑞利（Rayleigh）不穩性，就得到非常有週期性的一串液滴；
(3)把纖維放在固體上，得到一串平行於接觸線L的液滴；
(4)傾斜固體使接觸線L變形，直到它與液滴接觸，就發生併合，得到一條波浪線，他就可以測量弛豫速率了（Ondarcuhu and Veyssie, 1991）。
前面對實驗的強調超過了理論。當然，在考慮軟物質時，我們需要一些理論。事實上，軟物質和其他領域之間有一些有趣的理論類比。S·F·愛德華茲（S. F. Edwards）給出這樣的一個例子（Edwards, 1965）：他發現，柔性鏈的構型和非相對論粒子的運動軌跡有很好的對應關係——鏈的統計權重對應於粒子的波函數。當有外勢存在的時候，這兩個體系都由同一個薛定諤方程控制！這個發現已經成為高分子聚合物統計學隨後一切發展的關鍵。
已故的W·麥克米蘭（W. McMillan，我們大家都懷念的偉大科學家）和我們同時發現，近晶相A和超導體之間存在另一個有趣的類比。後來，T·魯本斯基（T. Lubensky）及其同事巧妙地利用了這種類比（Renn and Lubensky, 1988）。我們又一次見證一種物質新形式的發明！大家知道，II型超導體在磁場中有量子化渦漩。這裏的類比是在近晶相A里加入手性分子溶質，它起了磁場的作用。正如魯本斯基在1988年的預言，在一些有利的情況，可能產生帶有螺旋位錯的近晶相——所謂的A*相。僅僅一年以後，由平達克（Pindak）及其同事就在實驗中發現了（Goodby et al. , 1989）——真是妙不可言。
在結束這次關於軟物質的浪漫旅行之前，我要簡單提一下我的合作伙伴。有些人是半路相識的，如：讓·雅克，偉大的液晶發明家；卡羅爾·米塞爾斯，表面活性劑科學方面無可爭議的大師。有些人和我一路同行：亨利·貝努瓦（Henri Benoit）和薩姆·愛德華茲（Sam Edwards），他倆教我學聚合物的知識；雅克·德克羅依傑克斯（Jacques des Cloizeaus）和熱拉爾·雅尼克（Gerard Jannink），他們關於這個主題出版了一本非常深入的理論專著。最後是那些關係密切的旅伴，我們一起征服陸地和海洋，他們是：菲爾·平卡斯（Phil Pincus），什勞莫·亞歷山大（Shlomo Alexander），艾蒂安·居榮（Etienne Guyon），馬德萊納·韋西埃（Madeleine Veyssie）；最後還要特別感謝弗朗索瓦茲·布羅沙爾——sans laquelle les choses ne seraient que ce qu’elles sont（吳大誠注[5]：她對我的事業至關重要。這句話德熱納在講演中是用法語説的）。
最後引用幾句詩，它們來自關於軟物質實驗的一幅畫（畫師是布丹），帶有下面這首詩（譯註：德熱納在諾獎演講中引用的詩
https://blog.sciencenet.cn/blog-1319915-1338553.html）：
遊戲海與陸，
出名真煩惱。
富貴與榮華，
都是肥皂泡。
這首詩比任何結論更適合今天的場合。
諾獎報告和以前的中譯本：
[1] Pierre-Gilles de Gennes, Soft Matter, Nobel Lecture, December 9, 1991, https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1991/gennes/lecture/
[2] P. G. de Gennes, Soft matter, Reviews of Modern Physics, Vol. 64, No. 3, July 1992, p.645-648.
[3] 德熱納《軟物質：l991年諾貝爾物理獎獲獎講演稿》，吳大誠譯，《大自然探索》1992年第3期，第1-5頁。
[4] 《諾貝爾獎講演全集·物理卷IV》，福建人民出版社，2004年。德熱納的諾獎報告由王凡、王幼林譯，陳樂校。
[5] 德熱納著，吳大誠、劉傑、朱譜新等譯，《高分子物理學中的標度概念》，高等教育出版社，2013年。德熱納的諾獎報告見附錄。
參考文獻
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Mysels, K., 1971,Chem. Eng. Prog. Symp. Ser. 67, 45.
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Odell, J. A., and A. Keller, 1985, in Polymer fiow Interactions, edited by I. Rabin (AIP, New York).
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Porte, G., J. Marignan, P. Bassereau, and R. May, 1988, J. Phys. (Paris) 49, 511
Renn, S.R., and T. Lubensky, 1988, Phys. Rev. A 38, 2132.
Roux, D., and M. E. Cates, 1992, in Proceedings of the 4th Nishinomya-Yukawa Symposium, Springer (to be published).
Tabor, M., and P. G. de Gennes, 1986, Europhys. Lett. 2, 519.
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