软物质的自组织

软物质的基本特征使得软物质在各种互作用竞争 ,外力和熵驱动下显示出丰富的自组织现象。本文系统地评述了典型软物质系统各种丰富的自组织现象 ,试图从丰富的自组织现象中寻找共同规律和竞争机理 ,来揭示和探索自组装 /自组织有序微结构形成的物理机制和动力学引起的新生长规律 ,并讨论如何来控制和设计自组装 /自组织有序结构。这对新材料的制备、新结构的实现具有十分重要的科学意义和实际应用价值。     

一些典型的软物质物理中的非平衡自组织现象

在软物质物理中经常有自组织(self-organization)现象发生.这一现象通常在非平衡的过程中产生,并生成非常美丽和有趣的图案与结构.具体例子包括胶体颗粒的扩散限制凝聚(diffusion limited aggregation,DLA),Hele-Shaw盒中产生的流体分形结构,凝胶的形成(gelation),生物体自组织聚集,以及颗粒类物质(granular material)运动产生的规则图案等.这些现象在软物质物理研究中产生了很多重要结果.文章以比较浅显的文字介绍这些软物质物理中的非平衡自组织现象.     

液体基底表面金薄膜中的有序结构和自组装现象

研究了沉积在液体基底（硅油）表面金薄膜中的带状有序结构和自组装现象.实验结果表明：在一定条件下，生长在硅油表面的金薄膜中可形成一种特征的有序结构，它是由近似矩形状的畴块拼接而成的；相邻畴块的长度近似相等，但宽度一般不同，因而具有特征长度为101—102μm数量级的准周期结构.进一步的实验发现：此类带状有序结构是由薄膜中特征内应力所引起的物质相互挤压而形成的.另外，对此类具有近似自由支撑边界条件的薄膜中的内应力形成机理进行了研究. 关键词： 薄膜 有序结构 内应力 自组装     

纳米结构自组装和分子自组装体系

系统地总结并评述了纳主结构和自组装体系和分子自组装体系的最新进展,介绍了纳米结构自组装和分子自组装的基本概念,总结了几类自组和分子自组装体系的合成方法,例举了这类自组装体系的新特性及与下一代纳米结构器件之间的联系。     

封面故事

在软物质物理中，有很多非平衡自组织现象：许多单独的个体在某些外界条件下会自发形成有趣的结构和图案．一些很常见的类似例子也发生在生物界中，比如鱼群和鸟群等群落的现象．有趣的是，在微尺度生物如细菌中，     

GaxIn1-x缓冲层组分对InP自组装形貌影响的研究

应用缓冲层对自组装结构的作用能Er和自组装结构表面能Es的协同作用分析了InP自组装结构在GaxIn1-xP缓冲层表面的形貌变化，计算发现缓冲层组分影响自组装结构的形貌，随着缓冲层与InP自组装结构之间应力的增加，InP岛倾向于拉长，理论计算还发现随着自组装结构体积的增大，自组装结构也随之拉长，而且缓冲层的参数决定了自组装结构最小能量状态时的体积大小，应用金属有机物化学气相沉积技术在GaAs衬底上生长了不同的InP／GaInP体系，并对实验得到的自组装体系形貌进行了分析，实验结果证实了以上的理论分析。     

单光束飞秒激光诱导微纳周期结构的现象与机理

飞秒激光具有超快和超强（聚焦后局域电场达到10^10V／cm，相当于氢原子的库仑场强）的特点，因此它与材料发生相互作用时会产生多光子吸收、多光子电离、自聚焦等非线性效应．文章介绍最近发现的单光束飞秒激光在物质内部诱导自组装纳米光栅，沿光束传播方向排列成行的纳米周期孔洞结构以及材料表面诱导纳米周期结构等新现象，并对这些现象的机理作了阐述．     

在Si衬底上自组装生长Ge量子点研究进展

在Si衬底上自组装生长纳米尺度的Ge量子点，由于三维量子限制效应的贡献，能够在能带结构上对Si、Ge天然材料的间接带特性实施准直接带结构的改性，使激子行为和带间复合跃迁得到大幅度增强，同时Ge量子点的可控有序相关排列还有助于发展新一代的Si基电子波量子器件．文章回顾了自20世纪80年代末至今Ge／Si量子点生长研究的重要进展，对其潜在的重要应用作出了评述．结合作者自己的研究结果，着重介绍了Ge量子点的生长动力学及其形态的演变过程，指出自组装生长的Ge／Si量子点属Ⅱ型能带结构，其发光效率比一维量子阱有很大增强．探讨了用模板衬底实现对Ge量子点尺寸和分布的有序可控生长方法与途径．     

“十”字形自驱单元形成寡聚体的动力学行为

探索自驱粒子形状对自组装结构和动力学的影响是软物质研究的前沿课题.组装基元形成的寡聚体及其动力学是大量粒子形成组装结构的基础.本文设计了一种“十”字形自驱粒子,发现其可以形成数种不同构型的寡聚体,计算了寡聚体(二、三、四聚体)的均方位移、角速度、角速度分布概率、轨迹曲率分布概率等.寡聚体的运动行为可分为两类:一类是合力为零但力矩不为零,寡聚体进行小半径的偏心旋转;另一类是合力不为零力矩也不为零,寡聚体呈现大半径的偏心旋转.寡聚体的平动动力学在短时间尺度(大致约为1—2 s,与其角速度有关)都呈现超扩散现象,但转动速度受寡聚体结构影响;力矩越大,转动惯量越小,角速度越大.对于三聚体,轨迹曲率与角速度有关,角速度越大,曲率也越大.     

{（Eu（PW11）2）m/PEI}多层纳米复合膜的制备和光谱表征

在科技竞争日益激烈的今天,功能性分子材料的设计和获得是科学界面临的主要挑战之一.多金属氧酸盐因其具有特定的结构和优越的光、电和磁等物理化学性质,已经成为构造新型功能材料的重要无机构筑块.借助于分子间弱的相互作用将多金属氧酸盐引入到纳米复合薄膜材料中,利用无机和有机组分的协同作用来诱导和产生新的功能特性,必定会给这种无机构筑块在材料科学中的应用创造更多的机会.静电沉积技术是制备有机一无机超薄膜的一种有效方法,人们已经成功地实现了各种无机材料的组装,它们在非线形光学、导电膜、电致发光器件和传感器等方面有着潜在的应用前景.利用层层自组装法(layer bylayer self assembly,LBL),制备出有序且稳定的多金属氧酸盐Eu(PW111)2的多层膜.应用紫外光谱研究其层层组装过程,观察到层层组装是一个均一过程.荧光光谱研究表明所制备的含稀土多金属氧酸盐阴离子的多层膜,通过调节膜的厚度、组成和结构,多层膜具有Eu3 的特征发射.这一结果为发光器件的发展提供了丰富的数据.     

从液晶显示到液晶生物膜理论：软凝聚态物理在交叉学科发展中的创新机遇

世界之交,物理学正在与化学、材料科学、生命科学等相互交叉形成新的学科,凝聚态物理为例,在传统的固体物理以外,最近几年又诞生了一门新学科－－软件体物理、或称为复杂流体,液晶 物质凝聚态的重要研究对象,６０年代发展起来的液晶显示技术与７０年代创立的液晶生物膜理论,充分显示了软凝聚态物理在２１世纪的信息与生命科学时代将发挥重要的基础学科作用,是科学技术富于创新发展的领域。     

Formation of large‐scale structures in four‐component dusty plasmas

A possibility of self‐organization of magnetized four‐component dusty plasmas to double Beltrami (DB) state is explored. It is found that for a specific set of Beltrami parameters, the four‐component dusty plasma self‐organizes to DB state. The DB state characterized by two scale parameters may represent a paramagnetic or diamagnetic field structure. The impact of Beltrami parameters, charge and densities of dust grains on formation of self‐organized structures has also been investigated. This study has potential relevance to the formation of large‐scale structures in astrophysical plasmas.     

软物质物理学及其创始人德热纳

介绍了诺贝尔物理学奖获得者德热纳教授在获博士学位后的50年科学生涯中的学术思想、方法、成就;阐述了他开创软物质物理学的丰功伟绩;从而使我们对软物质物理学研究的内容、现状及意义有所了解与认识.     

胶体晶体结晶过程与人造三维周期性集团点阵材料

胶体晶体结晶的物理过程和以胶体晶体为基的三维周期性集团点阵材料的制备是目前实验凝聚态物理的一个热点领域,文章对胶体粒在悬浮液中自组织有序化的物理机制、结构相变与形态的形成和以胶体晶体为基的人造三维周期性点材料作了介绍,无论是从实验上还是理论上看,对胶体体系中发生的自组织有序化的物理机制还有没有给出令人信服的证据和解释。而胶体晶体的制备为具有新异功能的三维周期性集团国材料设计开辟了一条新途径,因而在     

液态泡沫结构及其稳定性

液态泡沫由大量气泡密集堆积在少量的表面活性剂溶液中形成，是具有高度自组织结构的典型的软物质．文章从泡沫物理学角度简要介绍了液态泡沫的结构特征和稳定性方面的研究．     

Modelling drying pathways of an evaporating soft matter droplet

Micro-droplets of soft matter solutions have different morphologies upon drying, and can become wrinkled, buckled or cavitated particles. We investigate the morphology evolution of a drying soft matter droplet in this work: at the early stage of drying, wrinkling or cavitation instability can occur in the droplet, depending on the comparison between the critical wrinkling and cavitation pressure; at a later stage of drying, no wrinkles will appear if cavitation happens first, while cavitation can still occur if wrinkling happens first. A three-dimensional phase diagram in the space of elastic length, gel layer thickness and weight loss is provided to illustrate the drying pathways of a soft matter droplet. This diagram can help guide future fabrications of micro-particles with desired morphologies.     

蛋白质分子电子结构的第一性原理从头计算

蛋白质分子电子结构的计算对生命科学和计算机药物设计有重要的科学意义和应用价值,但对计算方法和计算机也是巨大的挑战。团簇埋入自治计算法是近年来发展起来的“第一性原理”、从头计算法。它采用局域化无相互作用单电子模型,结合“分块－合拢”技术,使计算量大大减少。最近,应用该方法,对一个真实蛋白质分子（南瓜种子中的胰蛋白酶抑止因子ＣＭＴＩ－Ｉ）电子结构的首次“第一性原理”、全电子、全势场、从头计算获得成功。表明生物大分子电子结构的计算在现有计算机条件下已成为现实,使从本质上揭开生命奥秘成为可能。本介绍了上述计算的基本理论、方法和结果。     

Self‐Organization of Anisotropic and Binary Colloids in Thermo‐Switchable 1D Microconfinement

Anisotropic and binary colloids self‐assemble into a variety of novel supracolloidal structures within the thermo‐switchable confinement of molecular microtubes, achieving structuring at multiple length scales and dimensionalities. The multistage self‐assembly strategy involving hard colloidal particles and a soft supramolecular template is generic for colloids with different geometries and materials as well as their binary mixtures. The colloidal architectures can be controlled by colloid shape, size, and concentration. Colloidal cubes align in chains with face‐to‐face arrangement, whereas rod‐like colloids predominantly self‐organize in end‐to‐end configurations with their long axis parallel with the long axis of the microtubes. The 1D microconfinement imposed on binary mixtures of anisotropic and isotropic colloids further increases the diversity of colloid‐in‐tube structures. In cube–sphere mixtures, cubes may act as additional confiners, locking in colloidal sphere chains, while a “colloidal Morse code” is generated where rods and spheres alternate in the case of rod–sphere mixtures. The versatile confined colloidal superstructures including their thermoresponsive assembly and disassembly are relevant for the development of stimulus–responsive materials where controlled release and encapsulation are desired.     

活力物质的非平衡结构和动力学

活力物质是一类典型的非平衡态体系,已成为软凝聚态物理新近发展的一个重要研究方向.活力物质由微驱动粒子组成,驱动力独立地施加在体系中的每个粒子上.文章概述了作者平时研究中所关注的一些活力物质系统中出现的十分有意义的现象,着重介绍了活力物质系统的构成,以及活力物质的气液态、铁磁态、向列相态和凝胶状态中涌现出的非平衡结构及其特殊的动力学行为.     

软凝聚态物质物理学

软物质是指其某种物理性质在小的外力作用下能产生很大变化的凝聚态物,典型的例子包括液晶、高分子体系、胶体、微乳液等。软物质的结构和性质主要不是由内能,而是由熵来决定,较通俗地介绍了软物质的概念,仔细分析了熵在软物质中所起的作用,同时详细介绍了聚合物体系、胶体及生物膜等几种典型的软物质,通过硫化橡胶和无管虹吸等十分有趣的例子。说明了聚合物对流变性质的影响;通过分析硬球胶体的相变及相分离等行为说明了熵力的概念;仔细分仔了电稳定胶体的相互作用,并介绍了DLVO理论以及近年来发现的对这一理论的偏离,特别是约束条件下同号带电胶球的长程吸引相互作用及其对此现象的一些解释;对生物膜也作了初步介绍。人们对软物质的研究和理解目前还处于一个非常原始的阶段,深入研究和理解软物质的各种性质必将促进人类对自然和人类自身的认识。