我们身边的软物质 | 理论物理 coffee time (2)

2020-11-26 11:17:50 中国物理学会期刊网

什么叫“软物质”?理论物理如何能够促进软物质的研究?

欢迎观看《理论物理 coffee time》 第2期。

(左)孟凡龙

中国科学院理论物理研究所副研究员

(中)王延颋

中国科学院理论物理研究所研究员

(右)金瑜亮

中国科学院理论物理研究所副研究员

从橡胶到诺贝尔奖——软物质物理之高分子

孟凡龙:刚刚我们说的是胶体,悬浮液里面可以发生这种剪切变稠的现象,其实在高分子体系里面也是。刚刚小当哥展示的视频里是淀粉,淀粉就是非常典型的高分子。

王延颋:什么叫高分子?

孟凡龙:高分子有一些非常小的化学单元,它们由共价键连接形成一个非常长的长链。高分子不只有这种链状的,还有环状的,ring-like,还可以像星星状的,star-like,构型可以有非常多种。

金瑜亮:为什么叫高分子,不是大分子?

孟凡龙:大分子其实也可以是高分子的别名,因为我们在英文里面有个macromolecule,其实在一定程度上跟polymer是等价的。

王延颋:至于胖分子我觉得可能女士不太喜欢,我们软物质不希望把女士排除在外面。

金瑜亮:如果要成为一个高分子,对分子数有要求吗?比如说多于多少个原子组成的大分子才能够叫做高分子。

孟凡龙:定量上我确实说不出,可能得有100个重复单元。

金瑜亮:比如说像常见的蛋白质分子应该是属于高分子吧?

孟凡龙:是的,蛋白质分子是(高分子)。

王延颋:对,但是蛋白质分子叫生物高分子,它和化学上高分子还是有一些质的区别。

孟凡龙:对,(生物高分子)有特异性。

王延颋:化学高分子一般是制备的,所以不具有特别强的特异性。那么高分子在日常生活里面常见的有哪些?举些例子。

孟凡龙:对,高分子在我们日常生活中有非常多的应用,像我们平时用的塑料袋、手套、尼龙绳,还有轮胎,电线表面的表皮,它的用途非常多对。

王延颋:很难想象,100年前没有发现高分子的时候。我们现在的日常生活已经司空见惯的东西,100年前完全就不存在,人(类)好像也就过来了,但现在你要说我们把高分子东西都撤了,好像连每天的生存都比较困难。现在口罩是不是用高分子做的?

孟凡龙:对。

王延颋:所以高分子是细致入微的无处不在了,高分子你说他很重要,那么我们从学术的角度来说,怎么来证明它重要。

孟凡龙:大家都想说诺贝尔奖有高分子,相关诺贝尔奖大概有7个,一共13人次获奖,里面有6个诺贝尔化学奖,1个诺贝尔物理奖。

王延颋:听起来化学已经拿奖拿得差不多了,剩下应该是我们软物质物理学家开始拿奖的时候了。

孟凡龙:希望如此,这里面特别要说三个人。第一个是Staudinger,Staudinger在1920年第一次提出来高分子的定义。高分子是什么意思,就是有许多非常小的重复单元用共价键连接形成的长链。

王延颋:现在听起来好像是很自然的事情,他为什么能拿诺贝尔奖。

孟凡龙:对,当时就是说高分子大家知道有非常多重复单元,但并不知道它们的机理,有可能是聚集,比如说因为物理相互作用而发生的聚集,但并不知道它的化学本质。

王延颋:就是大家不相信它是由化学键,这样串起来的一个长链,他提出了这个概念。

金瑜亮:物理里面这种事情其实非常常见,我们现在看起来是非常自然的事情,但是100年前的人可能就觉得匪夷所思。比如说水是由水分子组成的这样一个非常常见的概念,但是你想古人他怎么知道这个水是由分子组成的,这是一个当时的人看起来是非常惊讶的事情。

王延颋:对,流体看起来好像是一个连续的东西,很难想象底层是一个一个原子的这种(结构的)东西 。Flory做了什么?

孟凡龙:第二个就是Flory,我们一般描述一个物体的话,是在笛卡尔坐标系下进行,Flory提出高分子里面有一些广义坐标,像这种键角键长,比如说两个重复单元之间的,共价键长度、键角、二面角等等。(Flory)有一个非常重要的理论,是Flory-Huggins理论,可以用来描述高分子溶液,在何种情况下可以发生相变 。

第三个,前面两个说的都是诺贝尔化学奖,第三个是最近期的1991年的,de Gennes获得诺贝尔物理奖。他对高分子最重要的贡献,是发展了很多高分子标度律。什么叫高分子标度律,举一个非常简单的例子,一条高分子,问一下金老师,你猜他的首末端距跟它里面重复单元的,个数的关系是什么?

金瑜亮:我非常简单地来猜测的话,重复单元个数越多,那么首末端距的距离越长。

孟凡龙:对,重复单元越多,长度越长,这是肯定的。比如说我们一有一条木棍,如果说重复单元越多,肯定是越来越长,是线性的,有多少个重复单元它的长度就会线性增加。但是在高分子里面并不是线性的,对于柔性高分子来说,它的首末端距是链的增长的1/2(次方)的标度率。

王延颋:因为它会卷曲,对吧。比如在一定温度下它会摆来摆去,所以实际上你说的端距应该是统计平均的。

孟凡龙:是首末端距平方的平均值(开根号)。

金瑜亮:蛮有意思,就是说高分子相对于木棍来说,是软的。如果跟弹簧相比的话,它是怎么样,它类似于一个弹簧吗?

孟凡龙:这是一个非常好的概念,我们做高分子理论,会发现两个重复单元(之间)是一个共价键,(类似于)一个弹簧连接。其实如果忽略这些重复单元之间的相互作用,然后做一个统计,会发现这一条高分子的自由能和一个弹簧的自由能其实差不多。

液晶乎?晶体乎?——软物质物理之液晶

金瑜亮:好,我想请教两位老师一个问题,我们一般用的手机屏幕它是用软物质做的吗?

王延颋:现在的手机的屏幕应该基本上用的都是液晶屏,对吧,那么液晶应该是一种软物质。

孟凡龙:对,液晶是非常典型的软物质。液晶其实是由一些棒状分子组成的,如果这些棒状分子有指向序(长程序),但是又要跟晶体区别开来,因为晶体也有长程序,但是它的位置都是固定的,有周期性结构。

王延颋:所以这个话简单说就是固体有长程序对吧,三维都是长程序,液体是三维都没有长程序,液晶是一维或者两维有长程序,另外一维两维没有长程序。好,那么现在说起这个显示的话,就有一个非常热的话题叫做柔性显示,这个是不是还是液晶。

孟凡龙:其实这并不是液晶,因为现在显示技术一般有两种,一个是液晶显示,另外一个是OLED,就是有机发光二级管或者有机发光显示。它其实是一个有机材料,通电以后有机材料会自发光,液晶(显示)其实是后面有个背光源,液晶(层)是用来控制光的亮度的。在有机发光技术里面有一类是高分子发光就是说高分子通电以后会发光,这叫有机发光。

金瑜亮:一个是被动的发光,一个是主动的发光。

孟凡龙:主动发光也得加电。

王延颋:就是说虽然柔性显示用的OLED不是液晶,但它还是软物质。

孟凡龙:对,但是这里还没有涉及到柔性,就是说现在不管是液晶屏还是OLED的屏,我们手机现在用的基本上都是做在玻璃基板上面,玻璃基板无法弯曲,这样的话就是刚性屏。但是现在出的柔性显示是说把OLED这一层,做在一个有机塑料(高分子薄膜)上面。高分子薄膜我们都知道很软,这样的话这个屏就可以进行弯曲,就是柔性屏。

金瑜亮:弯曲的角度有限制吗?我可以把它卷成一个大饼那种样子放在口袋里吗?

孟凡龙:应该是有这个技术,比如像视频里展示的。

王延颋:但是现在还没做到整个屏都是随意弯的,只是有一部分,随着技术的发展的话,未来希望就能像一张纸一样,卷巴卷巴就塞口袋里那样,就最方便是吧。

软物质一定软吗?——软物质物理之玻璃

金瑜亮:那么还有一种常见的软物质就是玻璃。

王延颋:玻璃,不是很硬吗?很硬的东西也能是软物质?

金瑜亮:对,玻璃有点像叶问,外表很坚硬,内心是柔软的。

王延颋:不知道年轻的观众朋友们看没看过这个电影。

金瑜亮:这当然是个玩笑,软物质并不是从它表面的坚硬程度来说的,而是说它内部的结构,粒子的排列是不是有序或者无序。一般来说如果它的排列是无序的,那么可以归到软物质的范畴 。

王延颋:你说内部排列无序,在我想来一般液体是无序的,我们刚刚也谈到了固体、液晶和液体,我的理解就是说如果是晶体的话,有序就对应硬,如果是液体的话,对应于无序,无序就软。但是听你刚刚说的意思是玻璃是内部无序,但是很硬。

金瑜亮:对,从某种角度来讲介于晶体和液体之间,那么从微观的角度来讲,更接近于液体,因为它的分子的排列是无序的,那么晶体是有序的,液体是无序的,所以从微观的角度来讲,它更接近于液体。但是显然从宏观的角度来讲,它是个固体,因为我们大家都知道一个玻璃杯如果放在那边,它是不会流动的,不像水,所以它是宏观上像晶体,微观上像液体的这样一种物质。

王延颋:你刚拿起这个杯子,但杯子是陶瓷吧,那么陶瓷也是处于玻璃态吗?

金瑜亮:对,它是另外一种软物质,它属于玻璃态,但不是玻璃材料。所以这里就有一个概念,所谓的玻璃态。玻璃态简单来说,当然玻璃是属于玻璃态,但是我们做一个推广之后,把一些无序的就是微观结构无序的,并不是处于物理上所说的平衡态的这种状态,就叫做玻璃态。

王延颋:玻璃态,听起来像是一种物态对吧,或者我们叫物相。如果把玻璃加热它就变成液态了对吧,然后冷却到室温,它就变成这种很硬的玻璃,但这里就有一个问题,就是说这中间有没有所谓的相变。

金瑜亮:这个其实是一个非常重要的科学问题,物理学家长期以来想要回答这个问题。因为我们知道从一个态变到另外一个态,或者一个相变到另外一个相的时候,有一个非常经典的物理上的解释,就是相变理论。宏观上面发生这种物态的改变的时候,微观上面伴随着结构或者序的产生,比如说从水变成冰的时候,它是从一种无序的液态的排列变成了有序的冰的排列。液体和玻璃就很奇怪,从液体变化到玻璃的过程中,我们没有办法观测到这种序的产生,但是宏观上面它的坚硬程度变化了很多,一下子从一个非常软的东西变成了硬的东西,这超出了我们现在任何理论上面可以解释的,是从一个态变到另外一个态的范畴,就是我们现在从理论物理的角度来讲,没有办法解释这样一种变化的物理机制是什么。

王延颋:所以就是说玻璃态对应的,到底是不是传统意义上的相变,这个事情还在研究过程中。

金瑜亮:我觉得应该是下一个诺贝尔奖的,如果解决了这个问题,有可能获得下一个诺贝尔奖。

王延颋:我希望20年后看到你站在诺贝尔奖的领奖台上。

本文经授权转载自《中科院之声》微信公众号

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