软凝聚态物质（soft condensed matter)

一.什么是软物质

    软物质（Soft matter）或称软凝聚态物质（Soft condensed matter）是指处于固体和理想流体之间的物质.

   它的基本特性是对外界微小作用的敏感性、非线性响应、自组织行为等。软物质在介观尺度（约10-10000nm）范围内，通过相互作用可形成从简单的时空有序到复杂生命体一系列的结构体和动力学系统。软物质一般由大分子或基团组成，如液晶、聚合物、胶体、膜、泡沫、颗粒物质、生命物质等，在自然界、生命体、日常生活中广泛存在。构成 生物体的物质大多为软物质，如细胞、蛋白质、DNA等。1991年，诺贝尔奖获得者、法国物理学家德热纳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。

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、空间缩放对称性等。它的运动规律和行为不是由量子力学和相对论的基本原理可直接导出，与一般硬物质（如金属、陶瓷等）的运动变化规律也有许多本质区别。例如：拉伸橡皮与拉伸弹簧的恢复力明显不同；双亲分子的界面作用与其他物质界面有很大差别；由固体粉末与液体混合物的电（磁）流变液，通过改变施加的电场（或磁场）强度，就可连续调节其软硬程度等。

软物质就是这样的领域，近年来，软物质物理已成为物理学一个新的前沿学科。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。

    近来，软物质物理已成为国际上受到普遍重视的新学科领域。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21世纪凝聚态物理发展的重要趋势 。

二.软物质科学的最新进展与发展趋势

    1．胶体与高分子软物质材料
    胶体与高分子材料的结构和性能的设计与控制在软物质科学研究中占有重要地位。专家指出，“软物质”概念的提出使胶体物质和软性高分子材料的界限变得愈来愈模糊，两者的科学内容在‘软物质’的大框架内相互渗透；在纳米科技需求的驱动下，两者都得到了快速的发展。传统的高分子胶体是由单体通过乳液或微乳液聚合得到的，如今通过已有聚合物的自组装构建具有规则结构的软物质，已成为高分子和胶体科学研究中十分重要和有很好前景的主题。“软物质”的“弱力引起大变化”特征在材料制备和结构构筑领域有着重要意义。
    专家在“高分子材料的软物质特性和应用”报告中，从软物质的定义、结构、宏观和介观尺度下软物质的特点出发，结合高分子材料的特点，揭示了高分子材料的软物质特性。通过形状记忆高分子材料及其应用、智能高分子凝胶及其特点、聚合物基电流变液、高分子液晶材料、智能高分子材料等实例说明了高分子材料软物质特性的应用前景。
    专家在“大分子链上的静电及其生物效应”的报告中指出，在软物质的研究中，静电及其生物效应尚未被充分重视。比如，带电高分子的相互作用原理、聚电解质的自组装、聚电解质在溶液中的行为等，特别强调了研究带电体系软物质材料对理解生命过程的重要意义。
    专家在“超分子有机凝胶”的报告中，从有机凝胶的定义、有机胶凝剂分子的设计及其凝胶化、有机凝胶的性质与功能、问题与展望四个方面阐述了有机凝胶研究过程中的一些软物质现象和问题。
    与会专家认为，“软物质”的提出对高分子材料和胶体结构构建与构筑，实现材料的性能优化具有非常重要的意义。

     2．生物体系中的软物质
    软物质在生物体系中无处不在。生物膜、细胞中蛋白质的聚集态结构、蛋白质的折叠等均是软物质特性的反映。经过自然进化和选择，生物体系中软物质的结构和性能具有最优化特性。生物体系中的一些现象至今尚不能为人们所理解和复现，实现仿生一直是材料学家的梦想。探讨生物体系中的一些软物质现象和问题将对了解生命现象、生命遗传过程中出现的问题和缺陷以及对新材料的结构设计和性能控制等都具有重要的启发意义。
    专家从生物体系中细胞膜的基本结构生物膜出发，作了题为“生物膜的脂筏结构”的报告。生物膜构成了细胞及各细胞器的屏障，从而使得细胞内复杂的代谢和生理生化反应在膜上和由膜维系的微环境中进行。生物膜是由膜脂、膜蛋白和糖等组成的超分子复合物。生物膜上的脂和蛋白分子并不是均匀分布的，其中鞘脂与胆固醇会成簇形成富含的微区，成为具有十分重要的生物学功能的结构，即脂筏结构。报告讨论了脂筏脂及脂筏蛋白的组成及分布特点，脂筏结构模型以及脂筏的形成机理等。
    蛋白质的折叠问题对人类了解生命现象非常重要。蛋白质的折叠问题可以引起一些“折叠病”，如疯牛病、帕金森症、Kuru病、羊骚痒症、II型糖尿病、致命家族性失眠症等等。根据当前国际国内有关蛋白质折叠研究的理论和实验研究现状，专家作了以“蛋白质折叠动力学”为题的报告。专家指出，当前的研究热点集中在单链折叠、多链聚合与折叠、折叠病等方面，热点问题包括：折叠机制、去折叠态的结构、折叠空间的影响、amyloid 聚合机制、蛋白质与辅基因子相互作用而导致的折叠等。但是当前的研究还是集中在比较简单的模拟和计算方面，与实际的情况相差甚远，此领域中相关的研究无论是在理论方面还是在实验方面还有非常艰辛的路要走。
    专家在“生物膜与生物高分子（DNA/RNA）及其它软物质统计弹性力学”的报告中指出生物膜、DNA、RNA和蛋白质是生物细胞的重要组分，它们的弹性力学性质对细胞内进行的许多生物化学过程都有重要的影响。近二十年来，生物膜和生物聚合物的研究一直是生物物理学的两个重要方向。
    在生物医用材料方面，来自美国的专家介绍了用高分子材料支架培养人造器官的进展和应用前景。专家指出，作为一种软物质材料，高分子材料的结构和性能对热能具有敏感性。通过独特的热诱导相分离技术，可以制备合成高分子材料的三维纳米纤维结构，用于模仿细胞外基质，可以避免用天然的细胞外基质（如胶原质）而导致的免疫排斥和疾病转移。这种独特的支架可以作为三维模板引导组织的再生，而支架本身可以降解。实验结果表明这种独特的相分离方法和仿生设计是一种制备先进支架的有效手段。
     3．软物质科学中的基本物理问题
    如果说化学和生物学构成了软物质科学的实验基础，那么物理学则为软物质科学提供理论依据和发展的方向，因此在近年来也形成了物理学的一个重要的分支学科——软物质物理学。
    专家指出，当前世界上一些著名的大学和研究机构均开展软物质物理的研究工作，有关软物质物理的研究论文在著名的物理学杂志中也占有重要的地位，并有一些专门的软物质科学杂志出版。而我国软物质物理学科发展在深度和广度上都有较大差距。主要表现为：软物质物理研究单位和人员少；研究领域小，有些基本空白；实验工作薄弱；在国际上影响不大。专家建议通过更多的软物质物理讲习班和学术活动来提高人们对软物质科学的认识；通过在国内主要大学物理系开设软物质物理课程、开展软物质物理研究和加大对软物质物理研究的支持强度等方式，吸引更多物理学家投入软物质物理研究。此外还可以设立软物质物理专业委员会，建立软物质物理与化学、生命和材料科学跨学科领域的合作机制，加强国际交流与合作等方面的努力，提高我国软物质科学的研究水平和国际地位。
    颗粒物质是自然界中无处不在并与人类日常生活密切相关的一类软物质。专家对颗粒体系研究的历史、现状、存在问题及可能的应用进行了综述。通过对颗粒物质的研究可以提高对工业上依赖于颗粒物质的处理和运输能力，比如说谷物、矿石的运输，制药业当中的粉末和药片的处理，以及对自然灾害如火山爆发，泥石流或山体滑坡等的运动规律的认知，并指导生产和自然灾害的防治。
    专家在题为“胶体物理及相关科学问题”的报告中，介绍了胶体的研究历史，胶体这一典型的软物质的平衡和非平衡性质，以及胶体科学与纳米科学，生命科学等的关系等。同时指出了胶体物理研究中的热门问题，展望其研究前景以及对于其它学科的可能贡献。专家指出，胶体在工农业、食品行业、药物等生产和生活中有重要应用，但是胶体科学的研究明显落后于胶体的应用。也有专家特别强调了熵在软凝聚态物质中所起的重要作用。
    4.基本科学问题
    (1) 描述软物质特有结构和性质的基本理论。包括软物质构筑的驱动力问题（如动力学和统计规律、胶体和聚合物结构）、界面和受限状态的相关问题（如微流）、软物质在外场作用下的运动变化规律（如电流变液）、生命软物质体系的物理问题、颗粒物质（与自然灾害相关的问题）物理研究。
    (2) 功能软物质材料的构建。包括具有多尺度的规则结构软物质材料和功能性软物质材料结构自组装的驱动力，软物质材料构建中的动态过程、凝聚过程及超分子的自组装过程动力学，有序和无序、分相/微分相的静态与动态、平衡与非平衡态下的研究，以及软物质材料构建过程的原位研究新方法。
    (3) 生物体系的软物质现象。包括生命过程中蛋白质的复制、转移和产生生物功能等不同状态下的凝聚态结构，生物体系中的组织结构及生物膜的构造、表界面问题和应用。生命体系中组织的结构与功能的关系。

三.国际上软物质研究状况

　　20世纪的物理学开拓了对物质世界的新认识，相对论和量子力学起了支配作用。相对论揭示了质量和能量、时间和空间之间的深刻联系，量子论揭示了微观世界的基本运动规律。在此基础上，研究和深入认识了“硬物质”(如金属、半导体及各种功能物质)，对技术和社会产生了巨大推动作用。然而，却存在另一些类型的物质，其运动规律和行为主要不是由量子力学和相对论的基本原理直接导出。软物质就是这样的领域，其自组织行为和标度对称性是由内在特殊相互作用和随机涨落而引起。软物质某些方面的性质类似物质相变临界现象的状态。

　　21世纪物理学发展的一个主要方向是对复杂体系运动规律的研究。凝聚态物理是研究固体、液体及其居间态的科学，这里的居间态主要就是软物质。软物质是一类复杂体系，这类物质的奇异特性和一般运动规律尚未得到很好的认识。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重要前沿领域。

　　尽管人们接触软物质已有很长的历史，并对若干体系 (如液晶)作了许多研究工作。但将软物质作为一类普遍物质形态进行深入物理研究还只有十余年。在20世纪80年代末，一般以 复杂液体 (complex fluid)一词来概括此类物质。1991年，被冠以“当代牛顿”的法国著名物理学家、诺贝尔奖金获得者de Gennes在诺贝尔奖授奖会上以“软物质”为演讲题目，引起广泛关注。近年来，国际上许多大学和研究机构均在大力开展软物质的研究。美国和欧洲各国开展研究比较广泛深入，日本科技厅也设立重大项目支持此类研究，已成为凝聚态物理的活跃领域。另一方面，美国物理学著名的Physical Review系列杂志，在1993年开刊了Physical Review E 分册，主要刊登软物质等研究论文, 从2001年起，该杂志分成两大栏目，第一大栏目就是“软物质和生物物理”；法国、德国和意大利物理学杂志在1998年合并成欧洲物理学杂志(Journal of European Physics), 其中B卷刊登凝聚态物理论文，在其目录分类中将“软凝聚态物质”与“固体物理”并列为主要栏目；欧洲物理学会Physics A 杂志在1998年也开辟了“软凝聚态物质”专栏。这些均表明，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。2001年3月在美国西亚图举行的美国物理年会上，软物质科学作为单列的研讨学科，是大会的热门学科之一。

四.软物质物理实验室的研究使命

　　中国科学院物理研究所结合已有研究基础和当今物理学的发展趋势，于 2001年4月正式成立软物质物理实验室。

　　物理所主要从事凝聚态物理、光物理、原子分子物理和等离子体研究，很多基本研究方法和实验条件适用于研究软物质，是开展软物质研究的良好场所。物理所近年来已成功地举办了软物质国际研讨会，特别是 2001年6月在北京香山举办的国际会议 “Pattern Formation and Self-Organization in Nonlinear Complex Systems”，吸引了国际上这一领域的著名科学家参加讨论，物理所软物质物理实验室的相关工作引起了很大的重视。

　　软物质物理实验室的课题组在过去已开展了具有一定国际地位的研究工作。例如：陆坤权研究员的课题组进行液体、电流变液、颗粒物质实验研究，在国际液态物理及电流变液领域有一定影响。范海福院士的课题组长期从事生物大分子结构分析方法研究，做出突出贡献，他是国际上此领域著名专家之一。王鹏业研究员是年青的学术带头人，他所领导的课题组在非线性系统中 pattern的形成和控制以及时空不稳定性控制方面取得高质量成果，引起国际同行的重视。除此以外，在胶体相互作用和动力学、蛋白质折叠动力学、低维软物质界面结构和性质研究等方面也做出一批很好的研究工作。

　　软物质物理实验室将把研究复杂凝聚态物质体系的结构、性能及运动规律作为一个主要方向，特别是对一些生命基本物质，如核酸、蛋白质等生物大分子从物理学视点上深入开展研究工作。目前，正在开展的研究课题为：

　　（1）后基因组时代 (Post-Genome Era) 的蛋白质结构分析方法；

　　（2）DNA分子的动力学 研究 ；

　　（3）复杂系统 中 的 斑图(Pattern)形成和 时空 动力学 控制；

　　（4）应用脉冲升温（T-jump）技术研究蛋白快速折叠动力学；

　　（4）应用X射线散射研究 低维材料及大分子复合体的 微结构；

　　（5）液体、胶体及电流变液结构和性质研究。

　　软物质物理实验室的宗旨是营造出一个和谐、宽松和学术气氛浓厚的科研环境。为凝聚态物理研究开辟一方新天地。为有志于在此前沿阵地发挥聪明才干的研究人员支撑出一个良好的发展空间。软物质物理实验室将以人为本，团结进取，不断凝练研究目标，力争在软物质物理某些交叉领域取得突破。

转载自http://blog.163.com/shuimunianhua611@126/blog/static/5318718620106641637885/

Molecular Cell：生物膜相变由纳米微粒决定
如同一个玻璃杯中混合的水和冰块，一类名为脂质的有机化合物可以以液体和固体的形态共存于细胞膜中。磷脂膜中的这类斑块是利用他们用做生物分子和生物传感器的基础。

伊利诺伊大学的研究人员发现一种利用带电荷的纳米粒子刺激磷脂膜中斑块的新方法。

“我们在磷脂膜中看到了一种以前没有料到的反应，”伊利诺伊大学工程学创始人，Steve Granick教授说，“过去我们认为可能仅仅是某些蛋白质的特异性，现在我们利用带电荷的纳米粒子可以非常简单的看到这种反应的发生。”

脂质是细胞膜的基本组成部分。Granick和大学毕业生张良方在以前的工作中发现了一种方法——将带电荷纳米粒子附加到稳定敏感的类脂膜表面上。

Granick、张、助理研究员王博和研究员朴成哲现在展示了一种根据附加到其上的带电纳米粒子以两相共存的磷脂膜。这固有的块斑块提供了一种改变磷脂膜稳定性的新机制。

研究人员的工作报告将在下周的网络版美国国家科学院学报上发表。

研究人员利用荧光和热量测定的方法研究带电纳米粒子与单一脂质成分组成的细胞膜间的相互作用。因为单一脂质类型组成的细胞膜，对于空间斑块传统解释——不同脂的不均匀分布——会被淘汰。

虽然许多种纳米粒子被应用，但最常见的类型是直径约20纳米的球状聚苯乙烯粒子（纳米是米的十亿分之一）。细胞膜上附加了纳米颗粒，不断变化的各相反应了其变化。

Granick说，“电荷充当一个开关，带负电荷纳米粒子使细胞膜由液态变为固态，正电荷纳米粒子则使细胞膜从固态转为液态。”

在细胞膜斑块的磷脂分子在结合带电纳米粒子后回旋导致了相变的发生。在同一脂质中共存的两个不同阶段的结合诱导行为，提供了一个关于细胞膜的调节稳定性的新机制。

对于今后的工作，研究人员计划研究较小的、带电纳米微粒的效应；活体细胞带电纳米粒子的效应；以及稳定的脂质细胞膜靶向给药的新方式。

Granick说，“这些实验将帮助我们更好地理解磷脂膜的结构与存在于我们日常生活环境的纳米粒子所具有潜在的生物效应间的关系。”

Granick也是个化学、材料科学与工程、化学和生物分子工程以及物理学的教授，他还是弗雷德里克塞茨大学材料研究室和贝克曼研究所的研究人员。

本项工作由美国能源部资助。
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软物质自组装有序结构的调控

这一代表性成果涉及从事与化学、材料和生命交叉的软物质与统计物理前沿研究，围绕胶体、聚合物、及生物膜组装机理及介观尺度下有序结构的调控，提出一种新的稳定胶体薄膜的有序机制， 即利用软板形变产生的胶体粒子间有效相互作用来实现胶体结晶的各种有序结构；从理论上首次研究表面几何拓扑结构和粗糙度的改变等表面调控手段来改变膜侧向组织，得到磷脂分子侧面宏观相分离，微观调制，无序等一系列结构，结果与系列实验一致；系统研究了不同尺度下聚合物等软物质自组织有序化过程中各种互作用竞争因素，发现涨落驱动有序新现象； 在非平衡自组织过程中，通过对称破缺方法，对聚合物相分离实现新的有序定态以及新标度律做了很好的探索。共发表SCI论文近40篇，大多论文发表在高影响因子国际学术刊物。部份工作已经或将发表在化学类国际知名期刊如美国化学会志，大分子和物理化学杂志等。期间被引用约150篇次，一些工作有高的国际学术评价，如论文Journal of Chemical Physics 116, 7719 (2002)被Laradji等的论文Journal of Chemical Physics 119, 2275 (2003)大幅引用。他们认为我们是早期用分子动力学研究颗粒存在下聚合物相分离动力学，并首先得到与实验一致的结果；论文Physical Review E 66, 066103 (2002) 被Loscar 等的综述论文Reports of Progress in Physics 66, 1343 (2003) 从1362页到1364页整整三页全面详细地介绍和评述， 并采用了多幅计算结果图。http://thephy.nju.edu.cn/theory/theory.htm