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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 纳米凝聚太导论-4
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Jul  9 14:23:35 2003)

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３．迎接有机物质的挑战
　　具有复杂结构的有机物历来是化学家的世袭领地，物理学家很少问津。固体物理学

在对于结构简单的金属和半导体等材料的研究取得了巨大成功之后，就企图突破简单结

构物质的框架，关注于结构更为复杂的物质，固体物理学向凝聚态物理学的发展就反映

这一动向。这一发展体现为理论范式的重建，通过对称破缺这一主线，从基态、元激发

、缺陷和临界现象为基本内容，就可将在简单体系中行之有效的许多概念和方法延拓到

复杂结构的体系之中，液晶物理学和高分子物理学的日趋成熟，表明了这种努力收到了

实效，许多有名的凝聚态物理学家，如Ｐ．Ｇ．ｄｅＧｅｎｎｅｓ，Ｓ．Ｆ．Ｅｄｗａ

ｒｄｓ，Ｊ．Ｒ．Ｓｃｈｒｉｅｆｆｅｒ等都参与了这项工作，ｄｅＧｅｎｎｅｓ还由

此而获得诺贝尔物
理奖。
　　液晶既具有液体的流动性，而又具有类似于晶体的各向异性光学性质。一般而言，

它的分子是棒状的，按其对称性和有序性，可以分为三种类型：向列型、胆甾型和近晶

型。它是分子取向有序和位置无序的体系。在受到界壁以至电场和磁场的作用时，可以

改变其分子排列的方向。长期以来它只是作为一件珍奇事物，只受到少数科学家的研究

，脱离了现代物理的主流。到７０年代初，扭曲液晶盒中电光效应的被发现，一举奠定

了液晶在光显示器件中的地位，也引发了对液晶进行基础研究的热潮。
　　在手表或计算器中的数字显示应用了向列型液晶，已经建立了上亿元的企业，胆甾

型液晶的颜色受其螺距尺寸的影响，由于螺距对温度、压力和杂质都很敏感，故可用于

型液晶的颜色受其螺距尺寸的影响，由于螺距对温度、压力和杂质都很敏感，故可用于

测量体温、压力或化学分析。近日Ｃ型的分子取向与层面法线有一倾角，若组成的分子

具有手性，即成为近晶Ｃ＊型，对称性容许Ｃ＊型具有和层面平行的首发相化矢量，呈

现了铁电性。利用铁电液晶可制成平板电视，目前正处于积极开发试
制阶段，一旦成功，又将大幅度提高液晶在企业中的身份。
　　近来小分子的电致发光已取得了长足的进展，例如苯基二甲撑Ａｌｑ３等材料，不

仅可发射单色光,还可以制作能发出强烈白光（由三原色光混合而成）的发光二极管，受

到了学术界的重视，它的优点是价格低廉，容易做到大面积的发光；它的问题在于稳定

性和可靠性还有待于改进，因而，要做到实用化还有一段距离。
　　我们目前是生活在充满高分子材料的世界之中，当前全球合成的高分子材料的年产

量已达到１亿吨,就体积而言,业已超过了金属材料。塑料、纤维和橡胶等广泛应用于社

会生产的各个领域和日常生活的各个角落。生物体内的蛋白质、核酸、纤维素、多糖等

是结构更加复杂的高分子。
　　高分子系由大量的单体聚合而成，单元数可高达１０２－１０５。单体可以简单重

复方式形成聚合物，如　　Ｘ－Ａ－Ａ－Ａ－Ａ…Ａ－Ａ－Ｙ Ｘ，Ｙ为终端单元，在聚

乙烯中Ｘ＝Ｙ＝Ｈ。
　　长链中，单体不一定等同，如共聚物，两种不同单元Ａ，Ｂ无序地排列在链上，如


　　Ａ－Ｂ－Ｂ－Ａ－Ｂ－Ａ－Ａ…
也可以形成有序系列，如块状聚合物。两种聚合物又可以混合在一起，形成共混聚合物

，亦被称为聚合物合金。共混聚合物有两种情况：一种是两类聚合物相容性较好，构成

均匀共混体；另一类相容较差,形成两相分离,即不均匀共混体。共聚与共混构成了剪裁

高分子材料的基础。
高分子材料的基础。
　　高分子链甚长，成为其结构特征。柔性链的高分子材料中，高分子就若一团乱毛线

。如何描述其构形就是一个重要的科学问题。浓溶液或熔体可用简单的无规行走理论来

解释稀溶液则可用回避无规行走来解释；介于其间的半浓溶液如何来处理呢？ｄｅＧｅ

ｎｎｅｓ将它类比于磁系统，采用临界现象的理论解决了这一问题，显示了凝聚态理论

处理这一复杂体系的有效性。又如高分子滞弹性行为则可用长链分子
沿管道的蛇行理论来解释；橡皮的高弹性是交联高分子本系的特征，则用形变导致有序

化造成熵的减少来予以说明。要提高分子材料的强度，使长链分子取向一致乃是一条有

效途径。尼龙纤维依靠拉制来获得高强度；高分子液晶的取向脱溶则又是另一种强化的

途径，聚酰胺纤维（商品名Ｋｅｖｌａｒ）就是一个突出的例子，其强度业已超过了最

强的钢丝（钢琴弦），而其强度密度比更是高达钢琴弦的８倍，是制
避弹衣的良好材料。
　　高分子材料的电子性质是另一个备受重视的领域。可以近似地将长链高分子看作为

一维周期结构，因而采用能带理论来处理其电子结构问题，其轭高分子(如聚乙炔和聚噻

吩)中的孤子与极化子就受到理论物理学家的注意和研究，澄清了其导电机制。另外,通

过化学家和材料科学家的共同努力,制出了取向相当一致的高分子导电材料，其电导率接

近于铜的水平，而密度则小得多，其力学性能还算不错，这样，就为高分子材料的应用

开辟了新领域。高分子发光材料也取得不少进展：科学家发现苯乙炔ＰＰＶ薄膜具有良

好的发光性能,发射的波段为黄绿光。对其结构进行剪裁,如将其轭段与非共轭段嵌镶起

来，可以使发光峰值蓝移。如果能够解决其老化与稳定性问题，也是很有发展前景的发

光二极管材料。由于在高分子材料中易于进行各种分子的配合的剪裁，可以使各种性能

相互补充，从而达到优化的效果。最近科学家演示了聚合物层中获得了高效的光折变效

应就是一个突出的例子：将优良的光电导性能和电光性能联合起来，使其净光增益达到

应就是一个突出的例子：将优良的光电导性能和电光性能联合起来，使其净光增益达到

了２００ｃｍ－１,而目前最好的无机光折变晶体的水平仅为２０-５０ｃｍ－１。这说

明发展高分子功能材料还有很大的潜力。
　　以上这些进展说明，“分子电子学”经过多年的努力，已经具有不少实质性的内容

，其中包括导电聚合物、显示器件、存储器件、磁体 、生物传感器 、计算元件、智能

材能等。在这一领域进行工作，大体上可分为４步：（１）根据其应用的功能来选择特

定的分子；（２）剪裁分子使其具有特定的特征（电性能、构形、荷电量、光性能、自

组装性能等）；（３）制成体现设定结构的超分子组装体；（４）与
基于无机材料（如Ｓｉ,ＳｉＯ２等）的表面相界接。所选择的分子可以是一般的有机分

子或生物分子。从实际的生物系统中往往可以获得有启发性的线索，例如肽花青，是植

物和红血球细胞的成分，可容许小于皮秒的开关时间，且不产生
大量热量，因而可用光信号来触发，用于快速信息传递。上面我们已经提到对分子进行

剪裁的实例。Ｊ．Ｍ．Ｌｅｈｎ所提出的超分子自组装的概念对于分子电子学的实践十

分重要。此外，Ｌａｎｇｍｕｉｒ－Ｂｌｏｄｇｅｔｔ（ＬＢ）膜的方法以及激光淀积

等方法也可以用来制备三维的多层分子膜。最后，如何和无机基质的表面相界接，也是

制成器件所必须要解决的问题。这里我们无法细论有关分子电子学的
材料问题，应该指出，这是一个具有强烈的挑战性，同时又富于机遇性的领域，期待着

凝聚态物理学家和材料科学家与化学家和生物学家携手并进，共同来开拓。

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