Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 软物质：熵统治的世界  　 Aha
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Aug  3 19:00:18 2003)

软物质：熵统治的世界
　　　　——从一个实验谈起

　　　　　 Aha

 　　 P. G. De Gennes


　　如果你处身于一个满是蚊子的房间里，你会躲到哪里呢？答
案是靠着墙，躲在角落里，这样身后就不会有蚊子来了，只需对
付前面的蚊子就可以了。1998年的物理评论快报上发表了宾夕法
尼亚大学物理和天文系的A. D. Dinsmore, D. T. Wong, Philip
Nelson和A. G. Yodh合作的一个有趣的实验。这个实验与我们的
蚊子事件有着异曲同工之处。实验中几位科学家先将一个直径只
有0.474微米大的“大球”放到一个微型的梨形容器里。通过长
时间多次光学摄影的方法，我们看到这个大球在这个容器中任何
一处都可以出现（图1b，亮处为大球所处位置）。然后他们又将
很多的更小的球（半径0.042微米）放了进去（如图1a所示）。
这时候，从摄影照片看，大球基本上只能待在边上了（图1c，小
球远小于可见光波长，因此看不到）。这个结果是如何发生的呢？
我们来仔细看看。


　　　图一

　　首先我们知道容器中的大球、小球都在不停地做随机运动，
同时小球也在不停地从各个方向撞击着大球。在每一时刻，大球
在不同方向上受到的小球撞击一般来说是不一样多的，大球就会
因为受力的不同而向某个方向运动。当大球碰到了容器壁的时候，
大球会发现靠着容器的一边不会有东西撞它了，所有的撞击都来
自另一边。于是这些撞击就迫使它靠在容器的边缘上了。实际的
过程比我们这里的分析的要复杂，但大体的情况就是如此——大
球为了躲避小球“蚊子”的“叮咬”而藏在了墙边上。

　　　图2. 阴影部分是小球中心不能去的地方，而b，c中黑的部
分为墙和大球的阴影部分的重叠

　　从更物理些的分析上来看，这样的结果是由于熵的作用。熵
是表征体系自由度（或通俗些但不大准确地说，大球、小球可以
自由活动的范围）的一个物理量。由于我们的球是硬的，不会变
形，那么在大球和墙壁周围总有一些地方是小球去不了的（图2
中的阴影部分），也就是说那些地方不是小球的活动空间。而当
大球和墙壁挨在一起时，这种小球去不了的地方就有了重叠。相
应地，小球可以去的地方就变大了一些。那么体系的自由度也就
变大了。物理规律说一个封闭的体系总是要趋向于熵最大，就是
说封闭体系更喜欢自由度大的情况。这样一来，大球由于受这个
规律的制约就跑到容器边缘上待着。从统计的角度看，好象大球
受到了一个力的作用，把它推到了墙边上（图2b），这个由于统
计的原因而得出来的力就叫做熵力。如果墙是弯曲的，而且不同
地方的弯曲程度不同，我们还会看到大球在这个熵力的作用下沿
着墙移动（图2c）。在这里提醒读者注意，这个熵力并不是基本
相互作用，它只是一个统计意义下的等效相互作用而已。

　　上面讲的这个实验讨论的物理体系就是属于被称为软物质的
物理体系。1991年，诺贝尔奖获得者、法国物理学家德热纳（P.
G. De Gennes）在诺贝尔奖授奖会上以“软物质”为演讲题目，
用“软物质”一词概括复杂液体等一类物质，得到广泛认可。从
此软物质这个词逐步取代美国人所说的“复杂流体”，开始推动
一门跨越物理，化学，生物三大学科的交叉学科的发展。

　　软物质如液晶、聚合物、胶体、膜、泡沫、颗粒物质、生命
体系等，在自然界、生命体、日常生活和生产中广泛存在。它们
与人们生活休戚相关，如橡胶、墨水、洗涤液、饮料、乳液及药
品和化妆品等等；在技术上也有广泛应用，如液晶、聚合物等；
生物体基本上由软物质组成，如细胞、体液、蛋白、DNA等。在
我们日常所说的“软”的概念里，主要的特征就是容易形变。在
软物质这个名词里也有类似的含义。对于软物质德热纳给出一个
重要的特征：弱力引起大变化。在他的科普作品《软物质与硬科
学》一书中以橡胶为例，说明了软物质的性质。纯天然的橡胶乳
液氧化形成了固化的橡胶，但这种橡胶非常不结实，很容易就会
因为空气的继续氧化而破碎。而将天然橡胶硫化之后就变得非常
的耐用，不容易破碎。与氧同族的硫元素仅仅比氧的化学活性略
差一点，但达到的效果却迥然不同。这就是所谓的弱力引起大变
化。德热纳在书中写到：“如果你数一数与硫磺反应的碳原子数
目，你会发现其只占1/200，这是一个具有代表性的数据。然而，
这种及其微弱的化学反应已经足可以引起物质的物理状态从液态
变到固态：流体变成了橡胶。这证明物质状态能够通过微弱的外
来作用而改变状态，就如雕塑家轻轻地压一压大拇指就能改变粘
土的形状。这便是软物质的核心和基本定义。”我们前面大球、
小球的例子也可以看出这一点，微小的阴影重叠就造成了粒子分
布的迥然不同。

　　物理体系的状态可以由体系的内能以及熵与温度的乘积来共
同描述。由于内能的变化与体系受力相关，那么在一定温度下，
对于软物质，如果受到的力不大，那么其内能的改变也不会大，
而在这样的弱力作用下，又要求体系发生比较大的变化，那么就
一定得要求它的熵变化剧烈。也就是说，在软物质中体系的变化
主要是由熵引起的，或者说熵占据了主导地位。这样软物质就可
称作是由熵操纵的物质。在熵力的作用下，软物质体系会出现很
多新奇的行为，比如原本混乱的微观体系会变得井然有序，复杂
的蛋白质分子会自行折叠成特殊的结构等等。利用这些性质，我
们可以制造许多有特殊性质的软材料，它们是硬材料难以取代的。

　　20世纪的物理学开拓了对物质世界的新认识，研究和深入认
识了“硬物质”，如金属，半导体，陶瓷等等，对于技术和社会
产生了巨大推动作用。21世纪被称为生命科学的世纪，然而，任
何生命结构（DNA、蛋白质等等）却正是建立在软物质的基础上。
作为人类未来技术中的重要组成部分以及生命本身不可或缺的基
石，软物质的许多新奇行为、丰富的物理内涵和广泛的应用背景
引起越来越多物理学家的兴趣。软物质物理已经成为物理学的一
个新的前沿学科，是具有挑战性和迫切性的重要研究方向。

　　参考文献
　　A. D. Dinsmore, D. T. Wong, Philip Nelson and A. G.
Yodh: Hard Spheres in Vesicles: Curvature-Induced Forces
and Particle-Induced Curvature Phys. Rev. Lett. 80, 409
(1998);
　　P. G. De Gennes: Soft Matter Rev. Mod. Phys. 64,645
(1992);

　　P. G. De Gennes:《软物质与硬科学》湖南教育出版社，
2000；
　　欧阳钟灿：软物质，科学1999年第五期

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