3-软物质概念和高分子浓厚体系的分子模型
高分子物理学习题 第一章 答案
高分子物理学思考题及习题第1章思考题1-1 重要概念：高分子化合物；高分子材料（聚合物）；天然高分子材料；人工合成高分子材料；塑料；橡胶；纤维；功能高分子；结构单元；聚合度；线形分子链（线形高分子）；支化分子链（支化高分子）；交联网络（交联高分子）。
1-2 了解高分子材料的分类法和命名法。
1-3 与小分子化合物和小分子材料相比，高分子化合物与高分子材料的结构有哪些重要特点使之具有独特的性能？将这些特点牢记在心。
1-4 仔细阅读关于高分子材料的“多分散性和多尺度性”、“软物质性”及“标度性”的说明，理解其意义。
1-5 了解高分子物理学的核心内容和主要学习线索，体会“高分子物理学是研究高分子材料结构、分子运动与性能的关系的学说”。
1-6 阅读“高分子物理学发展简史及研究热点”一节，了解当前高分子物理学的热点问题和发展方向。
1-7 根据生活经验，列举一些适合用作塑料、橡胶或纤维的聚合物名称。
1-8 下列一些聚合物（我国的商品名称）：丁苯橡胶，氯丁橡胶，硅橡胶，环氧树脂，脲醛树脂，聚氯乙烯，聚碳酸脂，涤纶，锦纶，腈纶。
试分别写出各自结构单元的化学结构式及合成所需单体的化学结构式。
第一章习题可能与高分子化学学习内容重复，可不做。
第2章思考题及习题2-1重要概念：近程结构；远程结构；构型；构象；无规线团；内旋转；内旋转势垒；分子链柔顺性（静态和动态）；链段；均方末端距；均方旋转半径；自由连接链；自由旋转链；等效自由连接链；Kuhn等效链段；高斯链；θ条件/θ状态；Flory特征比（刚性因子）。
（1）近程结构：包括构造和构型。
构造是指链中原子的种类和排列，取代基和端基的种类，单体单元的排列顺序，支链的类型和长度等。
构型是指由化学键所固定的链中原子或基团在空间的排列。
注意：近程结构相当于“链的细节”。
构造着重于链上的原子的种类、数目比例、相互连接关系。
构型涉及空间立体异构（顺反异构、旋光异构）。
（2）远程结构：包括分子的大小、构象和形态，链的柔顺性。
第一章 聚合物流变学2011-2012-1解析
高分子材料流变学
第一概念 流变学是一门研究材料流动及变形规律的
科学。 高分子材料流变学则是研究高分子液体，
主要指高分子熔体、高分子溶液，在流动 状态下的非线性粘弹行为，以及这种行为 与材料结构及其他物理、化学性质的关系。
高分子材料流变学
第一章 绪论
5
1.1.流变学概念
高分子材料流变学
第一章 绪论
18
1.2. 流变学研究的内容和意义
高分子材料流变学研究的内容非常丰富， 粗略地分，可分高分子材料结构流变学和 高分子材料加工流变学两大块。
遵从牛顿流动定律的液体称牛顿流体，遵 从胡克定律的固体称胡克弹性体。牛顿流 体与胡克弹性体是两类性质被简化的抽象 物体，实际材料往往表现出远为复杂的力 学性质。
如沥青、粘土、橡胶、石油、蛋清、血浆、 食品、化工原材料、泥石流、地壳
尤其是形形色色高分子材料和制品。
高分子材料流变学
第一章 绪论
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1.1.流变学概念
它们既能流动，又能变形；既有粘性，又 有弹性；变形中会发生粘性损耗，流动时 又有弹性记忆效应，粘、弹性结合，流、 变性并存。
对于这类材料，仅用牛顿流动定律或胡克 弹性定律已无法全面描述其复杂力学响应 规律，必须发展一门新学科流变学对其进 行研究。
高分子材料流变学
第一章 绪论
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1.1 流变学概念
1. 流变学的诞生：宾汉（奠基人）与雷 诺的故事。
宾汉Eugene Cook Bingham 1878~1945， 美国化学家，流变学（Rheology）的奠基 人
雷诺是英国著名的工程师，物理学家和教 育家，毕生对水力学和流体力学的研究做 出了重要贡献。
高分子材料流变学
第一章 绪论
生物材料-软物质的研究
软物质的研究导论课程:生物材料姓名:夏培学号:20１220８087专业:材料学（无机)学院：材料科学与工程学院软物质的研究导论摘要:软物质的提出与发现,为推动二十一世纪凝聚态物质的研究提供了很大的便利。
文章概述了软物质的发展和作用意义，并针对软物质的三个基本特性展开陈述,对其应用进行归纳总结。
以国内外发展现状为契机,认识问题，展望未来。
关键词:软物质；特征与应用;发展现状１.引言软物质这一概念由法国物理学家德·热纳(P．G. de Ｇenｎｅs)首先提出，他在1991年诺贝尔奖授奖会上以“软物质(SｏftＭaｔｔer)”为演讲题目[1］,他用“软物质”一词概括所有“软”的东西［2]，包括普通的流体和当时美国学者惯常称呼的“复杂流体”，从此推动了一门２1世纪跨越物理、化学和生物三大学科的重要交叉学科的发展。
软物质又称软凝聚态物质(Sofｔｃonｄeｎｓeｄmatteｒ)或称复杂流体（Coｍｐｌｅx fluid),是指处于固体和理想流体之间的复杂物质,一般由大分子或基团(固、液、气）组成。
软物质在纳米到微米尺度(l～１000nm)范围内,通过相互作用可形成从简单的时空序到复杂生命体一系列的结构体和动力学系统。
软物质的丰富物理内涵和广泛应用背景引起越来越多物理学家的兴趣，是具挑战性和迫切性的重要研究方向,已成为凝聚态物理研究的重要前沿领域［３][4]。
我们通常对软物质的理解,直觉是指容易形变的东西。
德·热纳取软物质这个名词也是出于这一层通俗易懂的寓意。
自然界中软物质无所不在，生命体是最显而易见的一类软物质。
生物体的组成部分,如细胞、蛋白质、DNA等基本上都是软物质;日常生活和生产过程中软物质更是广泛存在,如橡胶、墨水、乳液及药品和化妆品,等等。
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。
高分子凝聚态物理及其进展
高分子凝聚态物理及其进展绪论（Introduction）§0-1 高分子凝聚态物理基本概念自从二十世纪二十年代H. Staudinger提出“大分子（macromolecule）”概念以来，高分子科学取得突飞猛进的发展。
在高分子科学中，高分子凝聚态物理学始终是其最重要的组成部分之一。
所谓凝聚态，是指由大量原子或分子以某种方式（结合力）聚集在一起，能够在自然界相对稳定存在的物质形态[1]。
高分子凝聚态物理学即是以现代凝聚态物理学中的新概念、新理论、新实验方法与高分子材料和高分子科学的特点相结合，用以说明、理解高分子材料复杂的结构、形态、分子运动、各种特殊的聚集状态及其相态转变，以及这种结构、相态特点与大分子聚合物作为材料使用时所体现出的特殊性能、功能间的关系。
近年来，高分子凝聚态物理学又出现新的发展高峰。
随着现代凝聚态物理学的发展，大量新观点、新思想、新的研究方法纷纷被引用到高分子物理学的研究中，成为高分子科学新的研究前沿[2,3,4,5]。
比较有代表性的研究成果有：大分子单链凝聚态和单链单晶；软物质概念及高分子材料的软物质特征；大分子蛇行蠕动模型及对分子链缠结现象的说明；聚合物相变中的亚稳态现象和临界现象；分子间相互作用力及超分子组装和自组装；逾渗模型及其在高分子科学中的应用等，每一领域都包含丰富的研究内容，揭示出许多新的有趣的现象和规律。
法国科学家P. G. de Gennes是现代高分子凝聚态物理研究的集大成者。
他所著作的“高分子物理学中的标度概念”以极其简明的语言和普适的幂函数规律深刻揭示了大分子特有的运动形式和规律，成为当今高分子物理学的经典名著。
他在其诺贝尔奖获奖典礼上以“软物质”（soft matter）[5]为题总结了现代高分子凝聚态物理的研究成果和研究前沿。
从字面理解，软物质是指触摸起来感觉柔软的那类凝聚态物质。
严格些讲，软物质是指相对于弱的外界影响，比如施加给物质瞬间的或微弱的刺激，都能作出相当显著响应和变化的那类凝聚态物质。
软物质领域的前沿研究与应用探究
软物质领域的前沿研究与应用探究在当今科技领域中，软物质的研究和应用显得越来越重要。
软物质是指那些能够通过外部条件变化而产生动态响应与自组装行为的各种物质体系，具有组合性、多样性、降尺度、智能性等特点。
近年来，人们越来越重视关于软物质研究的启示和优势。
本文将通过多个角度对在软物质领域进行的最新研究和应用进行简要探究。
1. 基本特征和应用前景软物质是由大分子化合物构成，具有摩擦系数小，可流动性和种类繁多的特点。
目前，软物质在成像、能量、电子电脑的处理和传感、医疗、化学剂量等领域中得到了广泛应用。
例如，人工智能中使用的机器学习算法需要庞大的数据集进行训练，而软物质便可以通俗易懂地模拟出生物体系，以便更好地训练神经网络。
人们还可以利用软物质参与形态建模、表面修饰等领域。
此外，在应用于药物开发领域，软物质可作为载体，从而提高药物对人体的治疗效果。
2. 研究热点与进展（1）自组装在软物质研究中，自组装是热门话题之一。
自组装是指在特定环境条件下，物质可以自发地组装成任意的有序或无序结构。
近年来，光学相互作用受到人们的高度关注。
使用光场能够产生还原反应的材料，可以自主组合成具有定制功能的物质，该物质的灯光透过、透光透光透过等转换则可用于光学装置的构建。
另外，自然界的大量遗址中自然存在自组装的形式，自组装的研究具有重要的应用价值和基础科学意义，未来仍然会成为软物质研究领域的热点。
（2）仿生软物质仿生软物质模仿生物体系的可变形质地和智能特性，继承了生物体系的复杂性和方便性，并具有多样化和更完整的机制。
目前，人们还开发了一些仿生物质软件应用。
以蜜蜂群体有序行为为例，研究团队在设计底盘小车时，通过高效的传感器和一定的学习算法，让车子可以摆脱地图的限制，从而更好地完成赛道上的运动任务。
（3）软物质及智能材料的发展针对软物质及智能材料，研究者开展了诸多工作。
例如，通过石墨烯、液晶等新型材料在生物科学和医学领域中的发挥。
在生物科学领域，石墨烯可用于贴身检测、紫外光谱和荧光检测以及电池构建上。
高分子的聚集态结构
5. Flory为首认为：
①非晶固体中每一根高分子链都采取无规线团的构象。
②各大分子链间可以相互贯通，可以相互缠结，但不存在
局部有序，所以整个非晶固体是均相的。分子链构象与
其在θ溶剂中的无扰分子链构象相似。
无规线团模型（实验依据）
• X光小角散射测得：PS分子在本体和在溶液中
均方旋转半径相近表明分子链具有相近的构象
型计算所得的密度要大，表明有序和无序粒子 是同时并存的
• 有序粒子的存在为结晶的迅速进行准备了条件
较好解释高聚物结晶速率极快的事实
• 某些非晶聚合物缓慢冷却或热处理以后密度会
增加与有序相增加有关
三、高聚物的结晶结构
（一）晶体结构特点和结晶形态 结晶：分子链按照一定规则排列成三维长程有序
的 点阵结构，形成晶胞。
晶态高聚物：是由晶粒组成，晶粒内部具有三维 远 程有序结构，但呈周期性排列的质点 不是原子，整个分子或离子，而是结 构单元。
特点：
1. 分子链很长，一个晶胞无法容纳整条分子链，一条分
子可以穿过几个晶胞。
2. 一个晶胞中有可能容纳多根分子链的局部段落，共同
形成有序的点阵结构。
a=7.36A
c=2.53A
OO HH
羧 酸 分 子 之 间 ： O H O
RC
CR
O H O
聚 酰 胺 分 子 之 间 ：C N H OO N H C
b．分子内氢键
邻羟基苯甲酸：
HO
O
C
H
O
H键：10～50 KJ/mol； 小分子间作用力＜ 共价键键能
2．高分子间的作用力
高分子间作用力非常大 高分子的特点：大，其中的链单元数：103 ∽105 分子间的作用力∝分子中所含的原子数
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
软物质导论-简介
胶体摘要：胶体广泛存在于我们周围的世界。
许多食物中含有胶体，甚至于我们身体的组成部分也包含很多胶体粒子。
研究胶体的性质对我们的日常生活有很重要的指导意义。
本文对胶体的类型，作用力和特征进行了探讨。
胶体的种类主要包括溶胶，凝胶，粘土，泡沫和乳状液。
本文对这些不同类型的胶体也进行了阐述。
关键词：胶体；类型；作用力；特征; 稳定性ColloidsLI ChenAbstract: The world around us is full of colloids. Many foods contain colloids, even the very stuff we are made of also contains colloidal particles. It has a very important guiding significance in our daily lives to study the colloidal properties. The types, forces and characterization of colloids are investigated in this paper. The kinds of colloids mainly have sols, gels, clays, foams and emulsions. These colloids are also introduced in detail.Keywords: colloids, type, force, characterization, stability1 引言什么是胶体? 这个名词首先是由英国科学家Grabam于1861年提出的。
实质上，胶体只是物质以一定分散程度存在的一种状态，称为胶态，犹如气态、液态和固态，而不是一种特殊类型的物质。
胶体普遍存在于自然界中，它时刻与我们接触，与人类的生活有着极其密切的联系。
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3.2.3高分子链的相互覆盖穿越
现在的问题是： 在浓溶液和熔体中，大分子链发生相互覆盖穿 越，其穿越的程度如何？ 提出此问题的目的是为了进一步了解缠结的概 念。
已经求出，在本体（熔体）状态下，一根大分 子链究竟与多少根其它分子链相互穿透。结果 是：当分子量等于临界缠结分子量 M 时，一 c 根分子链大约与10根其他链相互穿透。 这一性质与分子链的化学结构无关。 分子量增大时，相互穿透的分子链数 vip M 也增多。穿透的分子链数，一般有几十根链相 互穿透。
1/ 2
由此可见，处于极浓溶液和高分子本体状态的 大分子链，每根链都与十数根或数十根其它分 子链相互穿透和纠缠。
一根链上相隔较远的链单元间的相互作用被相 邻链的单元间的相互作用所屏蔽，链内的单元 间无远程吸引或推拒作用，使每一根链都处于 Gauss链型的无规线团形态。
3.2.2高分子溶液结构状态随浓度的变化
已知在稀溶液中大分子以无规线团状态孤立地存在于溶 剂介质中。 当达到接触浓度时，大分子链开始接触，继而发生相互 覆盖，溶液就从稀溶液变为亚浓(semidilute)溶液。 当浓度进一步提高，达到缠结浓度后，高分子溶液成为 浓溶液。 虽然这两个分界浓度所分开的三个区域的转变并不是很 尖锐，但是在每个区域中溶液的结构状态和分子间相互 作用各有独特的本质，决定其不同的溶液性质。
3.2 高分子浓厚体系的性质 3.2.1稀溶液和浓厚体系的特征分界浓度
稀溶液和浓溶液的本质区别，在于稀溶液中单分 子链线团（或其流体力学体积）是孤立存在的， 相互之间没有交叠；而在浓厚体系中，大分子链 之间发生聚集和缠结。 稀溶液和浓溶液之间的分界浓度，称缠结浓度 c e 。缠结浓度 c e 定义为高分子链间相互穿越交 叠，形成各处链段大致均匀的缠结网的临界浓度 。
溶液浓度增大时，分子链间发生相互穿透，同 样引起尺寸收缩。一个分子链中有其它分子链 进入时的收缩可解释为此时产生了“屏蔽效应 ”， 所谓屏蔽效应，可理解成分子链间或部分分子 链间的相互排斥使相邻分子链的排斥体积效应 减弱，使线团体积收缩，分子链的相关长度变 小，浓度增加。
大于分界浓度 c ）
**
进入高分子极浓溶液或本体（熔体
在高分子浓厚体系中，根据分子链相互穿透的 程度又可以分为浓溶液和极浓溶液（和熔体） 两种情形。
两者间有一个新的分界浓度
c
**
。
当体系浓度达到和超过 c ** 时，高分子线团 之间达到充分穿透而成为构象分布符合Gauss 分布的Gauss型线团，此时高分子的状态是极 浓溶液或本体（熔体）。
第三章 软物质概念和高分子浓厚体系的分子模型
Soft matter and the molecular model of concentrated polymer systems
主要内容
3.1 高分子亚浓溶液的性质 3.2 高分子浓厚体系的性质
3.3 缠结高分子的模型化
收缩效应是对大分子线团尺寸收缩过程的描述
已知在良溶剂中（稀溶液状态）大分子链处于 自由舒展的溶胀状态，均方回转半径大。 当浓度逐渐增高直至达到本体状态（聚合物本 体本应视为相容性好的良溶剂）时，大分子线 团尺寸却逐渐变小，最后成为构象分布符合 Gauss分布的Gauss型线团。
收缩效应
稀溶液中给出，聚合物溶液的接触浓度是很小 的。当N=104时，接触浓度～10-3。 注意这儿估算接触浓度值时，没有考虑由于大 分子链的相互作用所引起的无规线团尺寸收缩 效应。
所谓收缩效应，指的是溶液浓度发生变化时， 大分子链的几何尺寸发生变化的现象。
——蠕动模型（Reptation model） 3.4软物质概念和高分子材料的软物质特征
3.1 高分子亚浓溶液的性质
在于稀溶液中单分子链线团（或其流体力学体积）是孤 立存在的，相Байду номын сангаас之间没有交叠；而在浓厚体系中，大分 子链之间发生聚集和缠结。 稀溶液和浓溶液之间还可分出一个亚浓溶液 (semidilute) ，此时溶液的浓度大于接触浓度，小于缠 结浓度。 高分子亚浓溶液的性质，反应的是从单链凝聚态到多链 凝聚态的转变过程，是从单根分子链孤立存在，转变成 多根分子链相互高度穿透，许多大分子线团组合成了一 个总体的过程。
高分子液体按照浓度大小及分子链形态的不 同可以分为以下几种状态
高分子极稀溶液 → 稀溶液 → 亚浓溶液 → 浓溶液 → 极浓溶液和熔体 分界浓度：
Cs
C
*
Ce
～0.5-10%
C
**
浓度范围： ～10-2% ～10-1%
～10
动态接触浓度
接触浓度
缠结浓度
分界浓度
图1-2 高分子溶液及其分界浓度
缠结浓度 c e 的数量级范围跨越较大，约在 0.5-10%之间，与具体体系有关。 通常受分子量和溶剂性质影响最大。 达到缠结浓度 c e 时，大分子线团相互穿透形 成范德华网络或对称链的拓扑缠结，溶液的性质 发生突变。
最著名的是溶液粘度随分子量的变化按大约3.4 次方的幂律急剧上升，溶液性质的这种变化与发 生缠结时分子链间的相互作用突增有关。
这表明随溶液浓度增加大分子线团有一个尺寸 收缩的过程。
收缩效应可以理解为大分子线团内部链段间的 排除体积作用由于受到周围分子链段同样的排 斥作用而等价地减弱，因此线团将收缩。
结果：尺寸收缩效应使接触浓度的值提高。
屏蔽效应