软物质与复杂体系
软物质简介PPT课件
近平衡态是指系统处于离平衡态不远的线性区；远离平
衡态是指系统内可测的物理性质极不均匀的状态。
（2）非线性作用：系统产生耗散结构的内部动力学机制，
正是子系统间的非线性相互作用。
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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
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❖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。
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❖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
体，还可以与适当的溶剂混合形成粘合剂或者油漆。
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奇妙的软物质
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软物质的特性
❖ 对外界微小作用有很强的反应是软物质的第一个基本特征。
天然橡胶分子的200个碳原子中，只要有一个与硫原子发生作用，就会使天然橡胶
新理论。
其中，软物质的概念就是其中最为重要的一个。
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奇妙的软物质
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1991年, P. G. De 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
物态变化
物态变化1、物态：由于构成物质的大量分子在永不停息地做无规则热运动，且不同的分子做热运动的速度不同，就形成了物质的三种状态：固态、液态、气态，在物理学中，我们把物质的状态称为物态。
2．物态变化：在物理学中，我们把物质从一种状态变化到另一种状态的过程，叫做物态变化。
3．物态变化的过程（简介）：由于物态有三种（实际上有好几种，但在这里我们只研究三种。
其他物态如：等离子态。
），它们两两之间可以相互转化，所以物态变化有六种（简记为：三态六变）：熔化、凝固、汽化、液化、升华、凝华（具体详解见下面说明)。
4．如何判断发生的是哪种物态变化：关键是找到物质在发生物态变化前后的两种状态，再根据定义进行比较，就可以得出正确的结论。
5三态六变及吸热放热情况：种类：a.熔化：物质由固态变到液态的过程(吸热) /铁变成铁水，石蜡变成液态，海波变成液态b.凝固：物质由液态变到固态的过程(放热)：/铁水变成铁，液态沥青放热凝固，液态石蜡放热凝固c.汽化：物质由液态变到气态的过程(吸热) 有蒸发沸腾 /沸腾，蒸发，酒精挥发d.液化：物质由气态变到液态的过程(热放) 方法: 压缩体积和降低温度/露，雾，“白气”e.升华：物质由固态直接变到气态的过程(吸热)/碘变成碘蒸气，冰变成水蒸汽,樟脑片不见了f.凝华：物质由气态直接变到固态的过程(放热)（简记为“三态六变”）。
霜，雾凇，冰花，雪g: 除此之外，还有等离子态、超固态、中子态。
注意：这里所说的“吸热”与“放热”的“热”都是指的热量，而不是指的温度、内能、热值、比热容等热力学概念。
即为“吸收热量”与“放出热量”的简称。
在物理学中，热量不能说“含有多少热量”或“具有多少热量”，只能说“吸收了多少热量”或“放出了多少热量6.水的三大名称：固态：冰（凝固）、霜（凝华）、雪（凝华）、凇、“窗花”（凝华）、雹（凝固）、白冰液态：水、露（液化）、雨（液化）、雾（液化）、“白气”（液化）气态：水蒸气【注：水蒸气不可见，可见的是水蒸气液化形成的水珠。
高分子物理名词解释
近程结构：高分子中与结构单元相关的化学结构，包括结构单元的构造与构型远程结构：指与整个高分子链相关的结构构型：分子链中由化学键所固定的原子在空间的几何排布方式构象：分子链中单键内旋转所形成的原子或基团在空间的几何排列图像碳链高分子：高分子主链全部由碳原子组成，且碳原子之间以共价键连接而成的高分子杂链高分子：主链上除碳原子外，还有氧氮硫等其他原子存在，原子键以共价键相连接的高分子元素有机高分子：主链不含碳原子，由Si,B,P,Al,Ti,As,O等无机元素组成，侧基为有机取代基团链接异构：结构单元在分子链中因键接顺序或连接方式不同而形成的异构体序列异构：不同序列排布方式形成的键接异构体旋光异构：d型和l型旋光异构单元在分子链中排列方式不同而构成的异构体几何异构：根据内双键连接的两个碳原子上键接基团在键两侧的排列方式分出顺式和反式两种立体异构体，称为顺反异构体，也称为几何异构体全同立构：分子链中所有不对称碳原子均以相同的构型键接间同立构：分子链中的不对称碳原子分别以d型和l型交替键接无规立构：分子链中的不对称碳原子以d和l构型任意键接线性高分子：具有一维拓扑结构的线性长链，长径比大，每个分子链带有两个端基支化高分子：分子主链上带有与其化学组成相同而长短不一的支链的高分子，端基数目大于2交联网络：经交联后，分子链形成的具有一定强度的网状结构内旋转：与σ键相连的两个原子可以做相对旋转而不影响σ键电子云的分布，称为σ键的内旋转内旋转势垒：内旋转时需要消耗一定能量以克服所受的阻力，所需能量即为内旋转势垒内旋转势能差：内旋转异构体之间的势能差称为内旋转势能差静态分子链柔顺性：又称为平衡态柔顺性，指高分子链在热力学平衡条件下的柔顺性动态分子链柔顺性：指分子链在一定外界条件下，微构象从一种平衡态构象转变到另一种平衡态构象的速度或难易程度链段：如果人为的将若干个相互牵连的相邻σ键合并，看做一个相对独立的单元，即为链段均方末端距：均方末端距为末端距向量的平方按分子链构象分布求得的统计平均值均方旋转半径：均方旋转半径定义为从分子链质心到各质点的向量的平方以质点质量为权重的统计平均值伸展链：呈充分伸展的宏构象的高分子链自由连接链：假定分子链上化学键数目n相当大，各化学键之间自由连接每个键在任何方向取向的概率相等，不受键角的限制和位垒的障碍，内旋转完全自由，且分子量不占有体积自由旋转链：假定化学键在键角上的旋转是完全自由的，即每个单键可以在以键角的补角为半锥顶角的锥面上自由旋转，这种分子链模型即为自由旋转链模型等效自由连接链：将若干个相互连接的σ键合并成链段，视其为相对独立的单元，由于链段之间自由连接，高分子链可以视为以链段为统计单元的自由连接链，该模型为等效自由连接链模型Kuhn等效链段：等效自由连接链的等效结构单元是链段，也称为Kuhn等效链段Gauss链：链段数足够多，符合无规行走模型的要求，那么以链段为统计单元的分子链的构象也符合Gauss分布，称为Gauss链模型Flory特征比：定义为无扰均方末端距与自由链模型计算的均方末端距之比值凝聚态结构：在不同外部条件下，高分子链可能以无规线团构象堆砌，也可能排列整齐呈伸展链，折叠链，及螺旋链等构象，形成不同的有序晶相结构分子间作用力：主价键完全饱和的原子，仍有吸引其他分子中饱和原子的能力，这种作用力称为分子间作用力范德华力：分子间静电相互作用，主要指分子间静电引力，称为范德华力氢键：本质是氢原子参与形成的一种相当弱的化学键憎水相互作用：高分子链结构中的各类基团，可分为亲水基团和疏水基团，表面活性剂溶于水中，由于该作用，按浓度不同聚集成胶束，单层膜，双层膜，微泡体等结构内聚能密度：把一摩尔液体或固体的分子分离到分子引力范围以外所需要的能量，用于度量分子间作用力晶胞参数：分为三个边长参数和三个夹角参数，根据参数不同分为七大晶系等同周期：分子链排列时以相同结构单元重复出现的周期长度单晶：高分子链以折叠方式形成的晶片球晶：聚合物在无应力状态下从溶液或熔体结晶得到的一种最为普遍的结晶形态折叠链晶片：在一般温度场中结晶，分子链多沿晶片厚度方向反复折叠排列，形成折叠链晶片伸展链晶片：在强应力场中结晶，分子链易于沿应力方向伸展排列形成伸展链晶片纤维状晶：既有伸展链晶体又有折叠链片晶串晶：以纤维晶为结晶中心，在其周围生长出许多折叠链晶片，与纤维晶一起构成串状结构结晶度：晶区部分在聚合物总量中所占的质量分数或体积分数结晶速率：表征结晶的快慢异相成核：依靠外来杂质或加入的成核剂，或容器壁作为晶体的生长点均相成核：由热运动形成分子链局部有序，生成有一定体积而热力学稳定的晶核，晶核的化学组成与后生长的晶体相同熔点：结晶聚合物的熔点一般指晶体完全融化时的温度熔限：结晶聚合物的熔化温度范围无规线团：在非晶聚合物中，高分子链为柔性链，大量分子链以无规线团状互相穿插，缠结在一起，无局部有序结构，分子链间存在空隙，称为无规线团模型无定形态：以非晶态或非晶态占绝对优势的聚合物称为无定型聚合物取向度：材料的取向程度单轴取向：指材料只沿一个方向拉伸，分子链或链段沿拉伸方向排列双轴取向：指材料沿两个互相垂直的方向拉伸，分子链或链段处于与拉伸平面平行排列的状态，但平面内结构单元的排列可能是无序的液晶：介于液态和晶态之间的中介状态热致性液晶：由于温度导致分子运动能力变化，在液固相变过程中形成的中间态熔致性液晶：由于有机分子溶液浓度变化，在憎水作用下，形成的有机分子溶质有序排列机构织态结构：多相高分子材料由于成分复杂，凝聚态也相对复杂，这类凝聚态结构称为织态结构高分子共混物：两种或两种以上高分子材料的物理混合物填充改性高分子材料：通过填充使材料获得新的功能及性质，提高其性价比软物质：包括液晶材料，高分子材料，两亲分子，生物有机材料和胶体等多尺度性：从空间尺度的角度去理解即为多层次性运动单元的多重性：高分子材料具有多层次，多类型的复杂结构，决定着其分子运动单元和运动模式也是多层次，多类型的形变-温度曲线：在一定载荷和恒速升温条件下式样形变与温度的关系力学状态：材料力学性能规定的物质存在状态玻璃态：温度低，分子热运动能量低，分子链及链段的运动均处于冻结状态，弹性模量高，形变小，外力撤去后形变立即恢复高弹态：温度升高，热运动加剧，链段具有充分运动能力，模量小，形变大外力撤去后形变可恢复粘流态：自由体积进一步增大，链段协同运动加剧，在外力作用下分子链质心发生相对位移的运动占优势，具有明显的粘性流动特征，材料呈熔体状玻璃化转变：由玻璃态转变为高弹态，自由体积增大，链段运动解冻黏流转变：由高弹态转变为粘流态，链段可沿外力方向协同运动，分子链解缠结，分子质心发生相对位移分解温度：分解温度指处于粘流态的聚合物当温度进一步升高时，便会使分子链的降解加剧，升至使聚合物分子链明显降解时的温度为分解温度脆化温度：以具有一定能量的冲锤冲击试样时，当试样开裂几率达到50%时的温度称脆化温度自由体积：分子尺寸的空穴和堆砌形成的空隙分子占有体积：单个原子的振动体积，由原子的范德华半径和与原子振动有关的体积确定等自由体积理论：对不同高分子材料而言，发生玻璃化转变时自由体积分数的临界值基本相等，高分子材料的玻璃态为等自由体积状态自由体积膨胀系数：玻璃化转变温度前后玻璃态和高弹态聚合物的膨胀系数之差松弛过程：物质状态的时间演变过程松弛时间：松弛过程所用时间玻璃化转变的多维性：恒温下改变其他条件，如改变各向同性压力，外力作用频率等也能改变链段运动状态，引发玻璃化转变主转变：玻璃化转变，高分子结晶或熔融等涉及链段运动状态的改变次级转变：在温度，频率等外界条件变化时尺寸小于链段的小结构单元的运动也存在冻结或释放的状态变化，影响材料的性质拉伸应力：物体在被拉伸时产生的应力剪切应力：物体由于外因而变形时，在它内部任一截面的两方出现的相互作用力拉伸应变：物体在拉伸力作用下的形变剪切应变：物体在变形时截面上的形变模量：应力与应变的比例系数柔量：模量的倒数杨氏模量：拉伸时的应力与应变之比剪切模量：发生剪切应变时的应力与应变之比普弹性：小分子材料的弹性形变能力高弹性：高分子材料的弹性形变能力高弹形变：高分子材料在外力下发生的形变网链：在交联橡胶和处于高弹态的高分子材料内部，分子链之间存在着化学的和物理的交联点，使所有分子链构成一个大网络应变诱导结晶：在大拉伸比下产生诱导结晶，结晶度增大线性粘弹性：符合胡克定律的线性弹性和符合牛顿粘性定律的线性粘性的组合非线性粘弹性：不符合胡克定律的线性弹性和符合牛顿粘性定律的线性粘性的组合应力松弛：在恒温状态下拉伸，保持应变恒定，测试样内应力随时间增长逐渐降低松弛模量：应力松弛时应力与应变之比蠕变：蠕变是指在一定温度和恒定外力作用下,材料的形变随时间增大而逐渐增大的现象蠕变柔量：发生蠕变时形变与应力之比滞后现象：对一般粘弹性材料，应变比应力落后滞后角：滞后现象中应力与应变的相位差储能模量：粘弹性材料复数模量的实部，描述应力应变同位相的弹性形变损耗模量：粘弹性材料复数模量的虚部，描述应变落后应力π/2的粘性应变复数模量：应力与应变之比力学损耗：一个拉伸回缩周期中，单位体积材料所损耗的机械功损耗正切：储能模量与损耗模量之比Mexwell模型：由一个胡克弹簧和一个装有牛顿液体的黏壶串联组成，测量应力松弛Kelvin模型：由一个胡克弹簧和一个装有牛顿液体的黏壶并联组成，测蠕变四原件模型：由弹簧，Kelvin模型，黏壶串联而成，测未交联聚合物的实际蠕变情况广义Mexwell模型：将若干个具有不同松弛时间的Mexwell模型并联广义Kelvin模型：将若干个具有不同推迟时间的Kelvin模型串联松弛时间谱：不同松弛时间Ti的集合等温时效原理：对高分子材料的力学状态转变及力学松弛性能而言，外力作用时间和环境影响有等效作用Boltzmann叠加原理：对时间序列中一系列阶跃式应变或应力的输入，体系在即时t的应力或应变响应可以表示为不同时刻的一系列个别相应的线性叠加破坏：指材料在使用，储存状态下变形，破裂，疲劳乃至失去效用断裂：指外力作用下本体开裂成两个或多个碎片产生新表面疲劳：指长时间动态加载条件下发生的失效屈服：外力作用下，材料发生不可逆形变工程应力：拉力F除以式样原始截面积A真应力：式样拉伸过程中产生的真实应力拉伸强度：应力应变曲线到达断裂点时所受的应力断裂伸长率：应力应变曲线到达断裂点时发生的应变屈服强度：应力应变曲线到达极大值点时对应的应力屈服应变：应力应变曲线到达极大值点时对应的应变应变软化：越过屈服点后式样的应力略有下降细颈：发生应变软化时试样上某一局部会出现颈缩现象断裂能：拉伸试样直至断裂单位体积所消耗的能量脆韧转变温度：拉伸断裂强度和屈服强度两曲线交点对应的温度剪切屈服：试样在拉伸时出现颈缩现象，颈缩处出现45度的剪切屈服带拉伸屈服：在外力作用下，材料内部垂直于外力作用方向出现的微结构的撕裂，挣脱，位移，消耗形变能强迫高弹形变：在软玻璃态发生的大形变称为非晶聚合物的强迫高弹形变冷拉：结晶聚合物发生的强迫高弹变形应变硬化：冷拉伸结束后，再继续拉伸，应力将上升脆性断裂：断裂伸长率很小，拉应力作用下未发生屈服即断裂韧性断裂：断裂伸长率较大，拉应力作用下先发生屈服，而后在更大断裂伸长率下再发生断裂应力集中效应：缺陷的存在影响了材料内部应力分布的均匀性，应力会集中于细微裂纹的尖端理论强度：所有分子链单向有序排列，沿主链方向同时均匀受力，同时被拉断，这样求得的强度为理论强度实际强度：拉伸外力先克服次价键，使局部分子链滑脱，取向，伸直，再克服主价键，拉断分子链增强：使用化学法或物理方法提高材料的力学强度或其它性能临界弹性能释放速率：材料断裂韧性的一种度量抗冲击强度：标准式样在高速冲击作用下发生断裂时，单位断面面积所消耗的能量银纹：聚合物在张应力作用下，于某种材料某些薄弱部位出现应力集中而产生局部的塑性形变和取向，光线照射下呈现银白色光泽裂纹：材料在应力或环境（或两者同时）作用下产生的裂隙剪切屈服带：材料内部具有高度剪切应变的薄层，在应力作用下材料内部局部区域产生应变软化形成的环境应力开裂：指在外力与环境气氛共同作用下材料内部出现银纹，裂缝，空隙以至于性能下降而失效增韧：聚合物的增韧就是把聚合物的断裂方式由脆性断裂转变为韧性断裂溶胀：溶剂小分子渗透，扩散到高分子中间，削弱大分子间相互作用力，使体积膨胀溶解：大多数线型或支化高分子材料置于适当溶剂中并给予适当条件，就可溶解而成为高分子溶液溶胀比：溶胀后与溶胀前的体积之比溶胀平衡：当溶剂的渗入，膨胀作用与交联网的弹性回缩作用相等时，达到溶胀平衡内聚能密度：摩尔内聚能与摩尔体积之比溶解度参数：内聚能密度的平方根溶剂化作用：广义酸和碱相互作用产生溶剂化，使聚合物溶解理想溶液：溶液中各分子之间的相互作用能相等，溶解时无体积变化，与外界无热量交换无热溶液：溶解时与外界无热量交换Flory-Huuggins参数X12：高分子-溶剂相互作用参数，相当于把一个溶剂分子放到高分子体系中引起的能量变化偏摩尔自由能：在一定的温度压力和浓度下，向溶液中再加入1mol溶剂或溶质，体系中自由能的改变溶剂的稀释自由能：溶剂在溶液中的化学势与纯溶剂化学势的差值超额化学势：高分子溶液与理想溶液相比多出的化学势θ状态：某种条件下高分子溶液满足理想溶液的条件，称该状态为θ状态θ温度：θ状态时的温度θ溶剂：θ状态时的溶剂排除体积：高分子或链段在溶液中可有效地排除所有其他高分子或链段的体积数均分子量：按各级分分子的数量分数求平均重均分子量：按各级分分子的质量分数求平均粘均分子量：用粘度法测得的聚合物的分子量渗透压：用半透膜把溶剂与溶液隔开时发生渗透现象，到达平衡时半透膜两侧溶液产生的压力差第二virial系数：表征高分子稀溶液性质，判断溶剂优劣流变性：高分子液体流动时不同程度的发生弹性形变和弹性恢复，出现如挤出胀大，熔体破裂，法向应力差等弹性效应，称为流变性。
复杂软物质的计算统计物理多尺度模拟
复杂软物质的计算统计物理多尺度模拟复杂软物质是指由大量分子或粒子组成的物质，其内部结构和行为具有多样性和复杂性。
为了研究复杂软物质的性质和行为，计算统计物理多尺度模拟成为一种有效的研究手段。
本文将介绍复杂软物质的定义、计算统计物理的基本原理以及多尺度模拟方法的应用。
一、复杂软物质的定义复杂软物质包括聚合物、生物大分子（如蛋白质和核酸）、胶体等，其内部的结构和功能往往由分子之间的相互作用决定。
这些相互作用包括范德华力、电磁力、静电相互作用等。
由于分子之间相互作用的多样性和多尺度性质，复杂软物质的行为往往不容易直接观察和理解。
因此，使用计算方法进行模拟和研究成为了必要的手段。
二、计算统计物理的基本原理计算统计物理是一种利用数值计算方法研究物质性质和行为的学科。
它基于统计力学的基本原理，通过模拟系统的宏观行为来揭示微观的物理机制。
计算统计物理的核心是计算模拟方法，其中最常用的方法之一是分子动力学模拟。
分子动力学模拟是通过数值求解原子或分子之间的运动方程来模拟物质的行为。
其基本原理是根据牛顿第二定律，通过计算每个粒子的位置和速度，在一定时间步长内模拟系统的演化。
通过计算分子之间的相互作用以及外部场的影响，可以研究复杂软物质的结构、动力学、热力学性质等。
三、多尺度模拟方法的应用由于复杂软物质的尺度多样性，仅仅使用分子动力学模拟可能无法满足研究的需求。
因此，研究者们发展了多种多尺度模拟方法，以从不同的尺度上研究复杂软物质的性质。
1. 经典力学与量子力学的耦合模拟复杂软物质中的粒子通常由原子或分子组成，因此其行为受到量子力学的影响。
为了模拟系统的量子效应，研究者们进行了经典力学与量子力学的耦合模拟。
这些方法包括半经典模拟、经典-量子耦合模拟等，能够准确地模拟系统的量子效应。
2. 多尺度模拟方法多尺度模拟方法通过将系统划分为不同的尺度区域，并在不同尺度区域应用不同的模拟方法，以获得更全面的物理信息。
这些方法包括粒子-粒子模拟、粒子-连续介质模拟、连续介质模拟等，可以模拟复杂软物质在不同尺度上的行为。
臧渡洋：探索软物质的“硬”道理
臧渡 洋 ：探索软物质 的 “ 硬 ”道理
本 刊记者 于晓杰
月 亮 比 中 国 圆 ．而 要 看 看 他 们 哪 方 面
圆 ．哪方面扁 。另外 ．不能只跟踪 、学
习 国 外 的 东 西 ．要 创 新 ．要 提 出原 创 性
” 在 魏 老 师 的指 导 下 ．我 采 用 熔 融 也 均 可 划 入 软 物 质 的范 畴 。 自１ ９ ９ １ 年 法 大 的 影 响 力 ．具 有 三 航 特 色 ． 另外 础 。 ｏ ４ ５ Ｃ ｕ ４ ｓ Ｎ ｉ 。 合金４ ６ ５ Ｋ 国物理学家ｄ ｅ Ｇ ｅ ｎ ｎ ｅ ｓ 在 其诺 贝尔演讲 辞 它 还 有 很 深 的 历 史 文 化 积 淀 。 ” 从 １ ９ ９ ９ 玻璃 净 化 法 实 现 了 Ｃ 中首 次 提 出 “ 软 物 质 ” 概 念 以来 软 物 年 ￣ Ｌ ｊ ２ ｏ ｏ ９ 年 ，他 在 这 里 从 一 名 本 科 生 成 的深过冷 ．发现 液态合金在临界过 冷度
的命题 ，让外国人去做 解题者 ！”
２ ０ ０ ６ 年 ．在 魏 老 师 的 指 引 和 推 荐
下 ．臧渡洋作 为中法联合培养博 士生 ． 来到 巴黎第十 一大学学 习。 这 段经历
让 我 很 受 益 ．既 开 阔 了我 的 国 际 视 野 ， 又 让 我 在 不 同 的 课 题 组 经 历 了 多 元 化 的 训ｌ 练 ．同 时 让 我 接 触 了 更 大 的 学 术 圈
“ 我们基 本都是来 自不同的专业 ，但 是 弹珠放在 声悬 浮装置中 ，声场就会把液
回国后 臧 渡洋于２ ０ ０ ９ 年拿 到了 巴 我们 志同道合 ，都想 围绕软物质与复 杂 体 弹珠拉到一起并使 之发生凝并 。在液
软物质论文
软物质摘要：软物质科学的研究正蓬勃发展，软物质有诸多奇特性能，它的运用必将造福于人类。
关键词：软物质，特征，应用，现状，前景软物质是近些年来蓬勃发展的一门科学，它标榜了继石器时代、青铜时代和铁器时代之后的又一个新的时代——高分子时代。
而软物质这门科学在对软物质的研究、开发和应用中应运而生。
谁掌握了软物质这把利剑，谁就会成为现代科学技术发展的掌舵者。
软物质是物理学的一个新的前沿学科，它跨越物理、化学、生物三大学科，也许不久的将来，它将会成为最伟大的学科之一。
对于软物质德热纳给出一个重要的特征：弱力起大变化。
想想我们曾使用的液晶电子表能使用很长时间就能发现，液晶的电子表很不费电，因为很微弱的电流就能使液晶的形态发生根本性的变化。
放进一点硫，液态的橡胶树就变成了固态的橡胶；一点骨胶可以使墨汁多年不变质；一点卤汁使豆浆变成豆腐；非常微弱的电流，就能使液晶从透明变成不透明。
这些现象告诉我们：你只须施加微小的作用，软物质的形状和性质就会发生很大的变化[1]。
软物质具有对外界微小作用的敏感和非线性响应、自组织行为、空间缩放对称性等突出特点。
就目前看来，软物质有两大非常好的应用方向：首先，软物质的研究理论对生物学的发展提供很好的基础理论。
生物学大分子一直以来都是科学研究的热点，如对DNA链的研究，在软物质中的对理想链的理论就能很好地计算DNA的伸长所消耗ATP的能量；而生物大分子的构象可由各种散射技术测定，而这些技术都是基于软物质理论中的散射法尺寸测定理论；生物细胞中的渗透压及离子运输机制都可以用软物中的混合热力学理论给出完美的结果[2]。
软物质研究将会对生物学的研究和发展带来诸多理论指导和支持，特别是在医学上研究上，能够从理论指导生物大分子和具有生物特定功能组织等的人工合成一定会给人类带来前所未有的大成就。
其次，软物质理论对高分子材料的研究和制造提供了理论基础。
高分子材料拥有耐高温、耐酸碱腐蚀、隔热性能好、经久耐用、又轻又柔等诸多优点，这是传统材料所不能匹配的。
学术报告记录--软物质简介
《学术报告记录》报告题目：软物质简介----嵌段共聚物自组装主讲人：时间：地点：学术报告主要内容（可加页）：一、什么是软的物质？1.在Wikipedia的百科全书中是这样下得定义：软物质是凝聚物质的子领域，包括许多不同的物理态，这种物理态在热应力或热的波动下很容易变形；这种物理态包括液体，胶体，聚合物，泡沫，凝胶，颗粒材料以及各种生物材料；对于这些材料在室温下一些很奇特的物理现象就可以发生，这些材料共用一个重要的共同特征。
2.法国物理学家Pierre-Gilles de Gennes在诺贝尔颁奖大会上是这么定义软物质的：软物质是所有的具有很大的响应函数的理化系统。
软物质具有○1复杂性。
它包括生物系统（像人），聚合物（像线性链、支链、树枝状大分子、接枝聚合物、聚合高分子电解质等），液晶，表面活性剂，胶体颗粒（像泡沫、牛奶、雾、水气、烟、气凝胶、血液、油漆等由一定大小(1-1000nm)的颗粒处于连续介质中构成的物质）。
○2易变形性，像亚马逊印第安人的橡胶靴那样，像豆腐(卤水点豆腐)、墨水、洗涤液、砂子等3.Helmut Möhwald（软物质杂志的编委会成员）是这么定义软物质的：软物质是指由非共价键相互作用构成的材料, 这些典型的弱相互作用与kT是同量级的，与熵力差不多。
4.Richard A. L. Jones是这么定义软物质的：软物质是指这样一种物理态，其所呈现的物理态既不是简单的液体，也不是在固体物理学的其他分支研究的晶态固体二、软物质的组成软物质一般由大分子或基团组成大多数软物质是由有机分子组成的，因此，在很长的一段时间，物理学家对软物质的兴趣不大。
对软物质的研究大多数是由化学家，化学工程师，材料科学家，甚至食品科学家做的。
直到20世纪60年代，才有物理学家对软物质进行研究。
到目前，软物质是物理、化学、生物、工程等交叉学科的研究对象。
三、软物质的特征1.在空间尺度上，大致在10~1000nm；2.在时间尺度上，大致在10-12-103s；3.相互作用很弱，大致与kT是同量级的；4.具有自组装特性，自组装是指基本结构单元在不受外力介入下自发聚集形成有序结构的现象，分子自组装是一种普遍存在于生命体系中的现象,是生命科学最本质的内容之一。
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
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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
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海量个体组成的体系（如气体）-----统计物理
其他：地球物理、生物物理、物理化学、经济物理。。。
“统一”
“统一”
四种基本相互作用
万有引力 强相互作用
电磁相互作用
弱相互作用
有了最底层的物理规律是否就理解了一切？
还原论 (Reductionism)：一切归结为最基本 的组 成部分和决定它们行为的最基本规律
每一新的层次有全新的特性
理解这些新的特性与理解底层物理规律一样重要
安德森举的例子
基本粒子物理 固体和多体物理
固体和多体物理 化学 化学 分子生物学 分子生物学 细胞生物学 。。。
从 简 单 到 复 杂
生理学 心理学
心理学 社会学
什么是复杂体系
目前没有很确切的定义
大量的个体与大量的相互作用 无组织复杂性（Disorganized complexity）：相 互作用弱，可用概率统计方法处理
化学物理 生物物理 金融物理 经济物理 。。。
谢谢！
• 统一成一个理论甚至一组方程？
什么是物理
Physical science is that department of knowledge which relates to the order of nature, or, in other words, to vents.
• “最终目的”－－建立包罗万象的“大统一理论”？
呈展论（Emergence): 客观世界是分层次的， 每 个层次都有自己的基本规律
• 整体大于部分之和
当个体多了起来之后 — 变得复杂
空气如何运动？
• 力学和电磁学？ • 1023数量级的个体与方程组
统计力学和热力学
• 宏观物理量：压强、温度、功、热、自由能、熵。。。 • 抛弃个体运动的细节 • 扔骰子的学问—统计 • 另一层次的基本规律 • 平衡统计基本假设：对于一个具有给定能量的给定 物理系统，各种可能的状态出现的几率是等同的
• H.D. Young, R.A. Freedman University Physics with Modern Physics (11th ed.).
Physics is the study of your world and the world and universe around you.
• 平衡态统计
有组织复杂性（Organized complexity）：强相 互作用、强相关性
什么是软物质
• 软物质一词正式登场
• P. G. De Gennes, 1991年诺贝尔物理奖颁奖演讲.
P. G. De Gennes, Soft Matter, Rev. Mod. Phys. 64,645 (1992)
j i j i
可以证明：二元Eigen模型与二维Ising模型等价
演化博弈论
ni 第i种博弈策略的使用量
Ai （适应度）对第i种测量的评价 wij 第j种策略随机变异成第i种策略的概率
n 'i An i i w ji An i i wij Aj n j
j i j i
合作的产生机制
多了就不一样了 Philip W. Anderson: More is different (1972) …at each new level of complexity, entirely new properties appear, and the understanding of this behavior requires research as fundamental in its nature as any other. 物理规律是有层次的 这些层次对应于复杂性的不同
• S. Holzner (2006). Physics for Dummies
物理的分类
周围的物体相互作用和运动-----经典力学
电磁现象-----电动力学 很小的物体（原子，分子）-----量子力学
运动的很快的物体------狭义相对论
引力，时空------广义相对论 比原子还小的物体------规范场论 固体和液体-----凝聚态物理 天体-----天体物理与宇宙学 原子角度看物质之间以及物质与光之间的相互作用-----原子、分子和 光物理
▪ 分离
▪ 排队
▪ 聚合
形态模式
形态模式
社会行为
达尔文演化论
复制
遗传
变异
选择
(12 February 1809 – 19 April 1882)
Eigen 模型
ni 第i种准种个数
Ai （适应度）第i种准种存活后代比率 wij 第j种准种随机变异成第i种准种概率
n 'i An i i w ji An i i wij Aj n j
A. D. Dinsmore et al, Phys. Rev. Lett. 80, 409(1998) 熵增也可能导致有序
颗粒物质间相互作用的研究
Neurons
Is there a way to tap into the electrical signal of a single neuron to figure out how the brain works ?
软物质与复杂体系
李晟 上海交通大学物理系
2013.11
物理
Physics:来源于古希腊语φύσις （自然）
• 格物致知 • 物之至理
宇宙的运行存在规律
• 这个世界最不可理解的就是它竟然是可以理解的 ---阿 尔伯特· 爱因斯坦
物理学的目标/期望：找到宇宙运行的最基本规 律
• 将尽量多的现象用尽量少的理论来解释
细胞
双层脂膜（细胞膜）
DNA 折叠
蛋白质折叠
疯牛病
群体行为
一个群体运动模型
Intuitive flocking algorithm (Craig Reynolds – Sony)
– – Flocks, Herds, and Schools: A Distributed Behavioral Model Computer Graphics, 21(4), pp. 25-34, 1987 Defined Boids and simple interaction rules:
• • • • 很多的个体 简单的规则 大量的相互作用 相对独立的个体
相变
物质从一个态/相转变为另一 个态/相
相变通常是不连续的 相变伴随着自组织现象
浓度导致的相变
向列相液晶
各向同性液体
= 密度增加的方向
棒状胶体的 熵致液晶和晶体
晶体
近晶相液晶
Ising 模型
相变
硬球与熵
一个熵力的实验
• 复杂流体、胶体、高分子、泡泡、颗粒物质、某
些生物物质
软
小影响=>大效应
多数情况下熵起了重要作用
Some technical ‘problems’
About a mile from the Duke University Campus
复杂体系的常见现象—自组织
自组织指具有大量相互作用的多体体系中自发涌现 某种模式的过程。 自组织产生的模式是自发的，而不是受外界的影响 产生的 基本条件
经济学
社会学
博弈论
复杂体系及其特征是新的前沿方向
复杂体系是交叉科学
• 物理学 • 数学 • 化学 • 生物学 • 经济学 • 金融学 • 社会学 • 。。。
对于复杂体系的理解还很初步
什么是物理学
物理学就是物理学家做的事情
• • • • Physics Today, Dec., 1995 在一系列核心课程上做过高等训练：力学，电磁学。。 理解物理现象所需的量化和还原化方式 透过现象看本质的倾向
• J.C. Maxwell Matter and Motion.
Physics is an experimental science. Physicists observe the phenomena of nature and try to find patterns and principles that relate these phenomena. These patterns are called physical theories or, when they are very well established and of broad use, physical laws or principles.