软物质科学简介共19页
软物质力学_简介版
m = ρ dxdydz (1)
dv m = wdxdydz + p ( x, y, z ) p ( x + dx, y, z )]dydzx dt +[ p ( x, y, z ) p( x, y + dy, z )]dxdzy + [ p ( x, y, z ) p ( x, y, z + dz )]dxdzz
ρ sdldv = ( w Fp ) sdldt
ρ Qdv = ( w Fp ) sdl ρ Q(v2 v1 ) = F
粘性流体运动
层流和湍流
雷诺系数
ρ vL Re = η
粘性流体运动
dv f = η s dz
粘滞力
牛顿公式, 牛顿公式,牛顿液体
非牛顿液体不遵循该公式. 非牛顿液体不遵循该公式. 例子: 例子:血液
dv p ( x, y, z ) p ( x, y, z ) p( x, y, z ) = w x y z dt x y z dv ρ = w Fp dt p( x, y, z ) p ( x, y, z ) p ( x, y, z ) + + Fp = x y z x y z
ρ
(5)
不可压缩流体的运动方程
p ( x, y, z ) p ( x + dx, y, z ) = p ( x, y, z ) [ p ( x, y, z ) + [ p ( x, y, z ) p ( x, y + dy, z )] = p ( x, y, z ) dy y p ( x, y, z ) p ( x, y, z ) p ( x, y, z + dz ) = dz (3) z p ( x, y, z ) p ( x, y, z ) dx] = dx x x
软物质科学简介
①软物质与人们生活休戚相关，如橡胶、人造纤维、墨水、洗涤液、饮料、 乳液及药品和化妆品等等；
②在技术上有广泛应用，如液晶、聚合物等；
③生物体基本上均由软物质组成，如细胞、体液、蛋白、DNA等。
软物质物理已成为国际上受到普遍重视的新的学科领域。软物质的研究横 越物理、化学、生物三大学科，特别是软物质物理研究的深入开展，是物 理科学通向生命科学的桥梁。软物质物理代表了在21世纪凝聚态物理发展 的重要趋势。
按用途一般将通用高分子材料分为五类，即塑料、橡胶、纤维、 涂料和黏合剂。 日常生活用品、衣服质料、装饰用品等都用广泛应用。 An interesting story:
大约在2500年前．在亚马孙河流域的印第安人常把巴西三叶胶树汁涂抹在脚上 ，约 20分钟后，这种奇怪的液体就 可以在印第安人的脚上凝成了一双靴子 但不久．这 种橡胶靴又会破碎成碎片 原来橡胶在化学上属 于软物质．含有大量的链状高分 子， 这些高分子本来是相互独立流动的，但暴露在空气中，橡胶中的碳原子与氧会发生 反应，就会戏剧性地改变橡胶的彤态，便之凝固起来．随着时间的推移，更多的碳 原子与氧继续发生反应。橡胶的形态又会被戏剧性地改变而破碎。
8. 软物质造就了生命体……
我们的身体就是由细胞、体液、蛋白质和DNA 等组成。细胞膜是软物质，体液属于胶体．也是 软物质．而蛋白质和DNA是长链大分子，也是软 物质。
细胞
细胞膜
蛋白质
9. 软物质在现代社会中的地位
21世纪被认为是生命科学的世纪，从物质划代角度来看，这也是软物质的 世纪。如果没有软物质，生命也不复存在。任何生物结构（包括DNA、蛋 白质和生物膜）都是建筑在软物质的基础上。和软物质密切相关的领域： 新材料、生物、医学、农业、药业、交通、制造业。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、工程等及人 们日常生活有广泛影响。
第四章 软物质简介
钢时代？ 硅时代？ 塑料时代？ 合成材料时代？ 半导体时代？ 精密陶瓷时代？ 复合材料时代？ 纳米时代？
考虑到上述各种因素之后，有人提出材料应该 定义为： 人类社会所能够接受的经济地制造有用器件 的物质。
材料科学 20 世纪对于材料的发展历史来说是一个值得 大书特书的时期。20 世纪科学技术领域一系列 惊人的重大发现导致了原子能、航空航天、激 光、信息、能源等领域的巨大变化，而这些巨 大变化则有力地促进了材料的发展，使得材料 在20 世纪中叶发生了一次“革命性”的飞跃， 这个飞跃的标志就是“材料科学”的形成。
耗散结构理论
在临界点处，非线性机制放大微涨落为巨涨落，使热力学 分支失稳，在控制参数越过临界点时，非线性机制对涨落 产生抑制作用，使系统稳定到新的耗散结构分支上。 （3）开放系：由熵增原理，一个孤立系最终达到最无序 的平衡态。但对于开放系，只要外界向系统输入足够的负 熵以抵消系统本身的熵增，总熵减少，系统可以进入相对 有序的状态。 （4）在临界点(即所谓阈值)附近，涨落被不稳定的系统 放大，最后促使系统Gennes （德热纳 ）, 在诺贝尔物理 奖颁奖演讲中明确提出了 “软物质”的概念
何谓我们所指的软物质？ 美国人宁可称为“复杂流 体” … …在本世纪上半叶原子物理学的 巨变中，一个自然的结果就是软 物质，其基础是高分子、表面活 性剂、液晶，还有胶体粒子。
P. G. de Gennes
G H TS
S k lnW
可以发现其中的矛盾：W表示对应宏观状态的微观状态 数，S越大，微观状态数越多，系统越无序，似乎与熵 致有序结构矛盾。
熵驱动下的自组织
问题：熵增导致有序还是无序？
例1：如下图
混合熵 vs 平移 熵
软物质的制备和应用
软物质的制备和应用随着科技的进步和人们对新材料的需求，软物质应运而生。
软物质的制备和应用已经成为材料科学中一个热门的领域。
那么，什么是软物质呢？简单来说，软物质是指在不同的温度、压力、电场和化学作用下，可以自由变形的材料。
这些材料包括液态晶体、无机胶体、高分子材料等等。
相比于传统的硬物质，软物质更易于制备，可控性更高，并且具有耐水性、耐磨性和柔软性等优点。
因此，软物质被广泛应用于生产制造、医学、环境保护等领域中。
接下来，我们将重点探讨软物质的制备和应用。
一、软物质的制备1. 高分子材料的制备高分子材料是软物质中广泛应用的一种，它的制备分为自由基聚合、离子聚合和开环聚合三种方法。
其中自由基聚合是最常用的方法，它可以通过控制反应温度、催化剂和单体比例等方式，实现对材料性质的调控。
高分子材料可以制备成各种形状，如丝状、膜状、微球状等。
2. 离子液体的制备离子液体是指室温下的熔盐或离子溶液，由阳离子和阴离子组成。
离子液体具有优异的热稳定性、化学惰性和良好的溶解性能。
离子液体的制备需要选择适当的阳离子和阴离子，并将它们混合制备成液体。
制备方法包括电化学合成、离子交换等。
3. 纳米材料的制备纳米材料是指尺寸在1-100纳米的材料，具有特殊的物理、化学、热学等性质，因此被广泛应用于电子、光电、生物医学等领域。
纳米材料的制备方法包括物理法、化学法和生物法等，其中化学法是最常用的方法。
通过控制反应物比例、反应条件和反应时间等方式，可以制备出具有不同形态和尺寸分布的纳米材料。
二、软物质的应用1. 生产制造领域软物质在生产制造领域中应用得最为广泛。
例如，高分子材料可以制备成具有特定形状和机械性能的材料，用于制造汽车、电器、建筑材料等产品。
离子液体可以作为液体电解质，广泛应用于电池、电容等产品中。
此外，软物质还可以作为涂料、胶水、密封剂等材料，用于保护和改善其它材料的性能。
2. 医学领域软物质在医学领域中也有着广泛应用。
软物质科学的应用
软物质科学的应用软物质科学是新兴的交叉学科，涉及物理、化学、材料科学等多个领域，其研究对象是具有流动性、可塑性、适应性、复杂多样性和功能性的软物质体系。
在当今的科技领域中，软物质科学的应用非常广泛，其中一些应用已经深入到我们的日常生活中。
一、仿生材料生物界中存在的许多生命体都具有惊人的特殊功能，这些自然界的创新工程不断激发着人们的创新想象力。
软物质科学的一个重要应用就是仿生材料的制造。
仿生材料通常是以生物体的形态或结构为模型，采用人工合成的材料进行制造和改造。
由于仿生材料具有与生物相似的结构和性能，因此其在生物领域应用十分广泛，可用于生物传感、组织修复、仿生机器人等领域。
二、智能药剂随着软物质科学的发展，智能药剂的制造也日益精准和高效。
智能药剂是指能够在人体内控制释放药物的微小膜囊，其尺寸通常在1-100纳米之间。
这些微小膜囊装有药物，在特定的情况下可以通过某种机制（例如温度、PH值、光线等）控制药物释放，以达到最优的治疗效果。
智能药剂在治疗癌症和炎症等疾病中具有很高的应用前景。
三、环保材料软物质科学的一个重要应用是环保材料的制造。
环保材料是指具有较高的环境保护性能的材料，例如生物降解材料、可再生材料、低碳材料等。
这些材料在制造过程中不会产生过多的环境污染，同时使用过程中对环境的影响也很小。
现在，生活垃圾的不断增加已经成为全球性的问题，因此应用环保材料成为未来环保的一个重要发展方向。
四、智能材料智能材料是一种能够响应外界环境并改变其物理、化学性质的材料。
这些材料具有多种功能性，可以自动感应和适应外界环境变化，例如温度、湿度、压力等。
智能材料广泛应用于医药、航空、环境保护等领域。
例如，智能纳米材料可以被制造成能够自动修复的机器人或材料，其灵敏性、机动性和反应速度都很高，将极大地激活人类的生产力。
总之，软物质科学的应用领域非常广泛，上述只是其中的一部分。
未来，随着科技不断进步，软物质科学的应用领域将会越来越广泛，发挥出更多的创新功能。
软物质科学软物质的结构与性能研究进展
软物质科学软物质的结构与性能研究进展软物质科学是一个新兴的交叉学科领域，涉及到材料科学、物理学、化学、生物学等多个学科的知识。
软物质是指在一定的外界刺激作用下，具有可逆变形和流体特性的材料，例如聚合物、胶体、液晶等。
在过去的几十年里，软物质科学取得了许多重要的研究进展，这些进展不仅推动了材料科学的发展，更深化了我们对物质行为的认识。
一、软物质的结构研究进展软物质的结构是其性能的基础，因此对软物质结构的研究一直是该领域的热点问题。
近年来，随着先进的实验技术和计算方法的发展，对软物质结构的研究取得了重要突破。
其中，聚合物的结构研究是软物质科学中的重要方向之一。
聚合物是软物质中最常见的一类材料，其结构对其性能有着重要影响。
研究人员通过实验和计算方法，不仅揭示了不同聚合物的结构特点，还深入研究了聚合物的链状结构、交联结构、晶型结构等方面。
例如，研究人员通过X射线衍射等方法，解析了聚合物链的取向、有序性等结构信息，从而深入理解了聚合物的机械性能、导电性能等方面的变化规律。
此外，研究人员还对软物质中的胶体、液晶等结构进行了深入的研究。
胶体是一种由微米级颗粒组成的分散体系，其结构与组成对其稳定性和流变性能有着重要影响。
研究人员通过实验和模拟方法，揭示了胶体颗粒的排列方式、空间分布等结构特征，并通过调控胶体颗粒的结构来实现特定的性能，如光学性能、电学性能等。
液晶是一种介于固体和液体之间的物质，其结构的有序性对其光学、电学等性能有着决定性作用。
近年来，研究人员通过研究液晶分子的取向和排列方式，不仅对液晶相的结构进行了深入的研究，还实现了液晶显示器、光学器件等领域的重大突破。
二、软物质性能研究进展软物质的性能研究是该领域的核心问题之一。
软物质的性能包括力学性能、电学性能、光学性能等多个方面。
在力学性能方面，软物质的可逆变形性是其独特的特点之一。
许多研究致力于揭示软物质的变形机制和变形行为。
例如，研究人员通过实验和模拟方法，研究了聚合物的拉伸变形、压缩变形等力学性能。
软物质的结构和性质分析
软物质的结构和性质分析软物质是一种独特的物质，它们通常由大分子化合物构成，因此其分子结构多变，而且存在即兴相互作用，因此在科学领域中被广泛研究。
软物质的性质受到这些化合物之间的相互作用的影响，这些相互作用可以是亲水性-疏水性相互作用、随机共价键或离子对等等。
对于软物质的结构和性质进行深入的分析有助于我们更好地理解它们的物理特性和在工业和生物学中的应用。
首先，软物质的结构可以通过分子结构的多样性进行分类。
软物质可以分为线状、星状、网状等。
通过研究大分子化合物的化学结构，可以了解它们之间的相互作用机制，以及它们如何响应温度等外界因素的变化。
例如，许多聚合物，如聚丙烯酰胺和聚乙烯醇，可以在水中形成水凝胶。
在软物质的水凝胶中，分子的结构会发生变化，并且会形成网络。
这种网络形成的过程是由于水分子与高分子的相互作用力导致的，因此了解分子结构对于预测和控制软物质化合物的性质非常重要。
其次，软物质的性质可以通过它们的分子结构和物理化学性质进行分析。
这些特性包括弹性、黏性、流变性、聚合物的交联能力以及它们的热力学性质等。
例如，许多聚合物在加热过程中会熔化，并且可以通过冷却形成玻璃态聚合物。
这些特性可以通过测量该聚合物的热容和内能来解释。
此外，很多软物质通过多种方式来表现出来，以及它们是如何与溶剂发生反应的也是我们关注的重点。
最后，软物质的物理特性还受到外部因素的影响，例如温度、压力和化学成分等等。
有时候，这些因素可能会导致某些材料发生结构变化，从而影响其物理特性。
对于应用于生物医学和纳米技术的材料来说，这些特性尤为重要。
综上所述，了解软物质的结构和性质对于许多领域都非常重要。
这些知识可以用于工业制品的开发和生产，也可以用于了解许多物理、生物和化学现象的基本特性。
另外，研究软物质也不断地涌现新的机遇，因此这是一个拥有广阔前景的领域。
软物质资料
意义
• 软物质物理性质的研究为高分子材料的制备与改性提供了理论指导
• 软物质物理性质的研究为生物材料、组织工程等领域的发展提供了技术支持
05
软物质的光学性质及其研
究
软物质的光学性质及其特殊性
光学性质
特殊性
• 折光率：软物质对光的折射能力
• 软物质光学性质受分子结构、温度、压力等因素影响
• 荧光性质：软物质在光照下发射荧光的能力
• 橡胶改性：利用软物质改善橡胶的弹性、耐磨性能等
• 涂料改性：利用软物质改善涂料的附着力、耐候性能等
软物质在材料回收利用中的应
用
• 材料回收利用
• 废旧塑料回收：利用软物质降解废旧塑料，实现资源再利用
• 废旧橡胶回收：利用软物质降解废旧橡胶，实现资源再利用
• 废旧涂料回收：利用软物质降解废旧涂料，实现资源再利用
• 差示扫描量热法：研究软物质的熔化热、结晶热等热力
子结构的关系
学性质
• 纳米技术：制备具有特定物理性质的软物质纳米材料
• 光学显微镜法：观察软物质在不同温度下的形态变化
软物质物理性质的应用及其意义
应用
• 橡胶、塑料等高分子材料的制备与改性
• 化妆品、涂料等产品的配方设计
• 生物材料、组织工程等领域的研究与应用
技术
• 分子模拟：通过计算机模拟研究软物质的力学性质与分子结构的关系
• 纳米技术：制备具有特定力学性质的软物质纳米材料
软物质力学性质的应用及其意义
应用
意义
• 橡胶、塑料等高分子材料的制备与改性
• 软物质力学性质的研究为高分子材料的制备与改性提供
• 化妆品、涂料等产品的配方设计
了理论指导