软物质中的理性连续介质力学基础

本文介绍了理性连续介质力学在软物质研究中的意义与特点,简要回顾了软物质的理性连续介质力学背景与发展,重点介绍了关于软物质主要力学模型的本构关系:熵弹性、超弹性本构关系、黏弹性本构关系、多孔弹性介质本构关系、非牛顿流体本构关系,以及近年来这些模型在生物体系如细胞、肌肉、血管、脑组织,非生物体系如移动接触线、复合软材料,以及3D/4D打印等体系中的应用.在此基础上,结合近几年国内外软物质力学研究进展与应用需求,提出了学科关键科学问题和前沿问题,指出了软物质理性连续介质力学在软物质-硬物质界面相互作用力学,发展活性软材料多场耦合的弹性理论模型,加强与其他相关学科的联系等方面的发展方向.     

耗散粒子动力学模拟方法在软物质体系研究中的一些进展与应用

软物质是指处于固体和理想流体之间的复杂态物质,主要包括聚合物、表面活性剂、液晶、胶体悬浮液、以及生物大分子等。软物质能够对外界微小的作用产生强烈的非线性响应,并展现出丰富的有序自组装相态。作为一种新颖的模拟技术,耗散粒子动力学方法非常适合在介观尺度上对软物质体系的复杂行为进行合理的描述。本文对耗散粒子动力学模拟方法的发展及一些应用进行了系统评述。耗散粒子动力学模拟方法体现了分子动力学与格子Boltzmann模型的优点,通过与其它理论模型（如Flory-Huggins理论、Smoothed particle hydrodynamics模型等）相结合,该方法能够在介观尺度上有效地研究聚合物熔体和溶液体系、生物膜及囊泡体系以及胶体悬浮液等体系的行为。这些研究结果,对新材料的研发、特殊材料的制备、以及材料加工条件的选择具有十分重要的科学意义和实际应用价值。     

受限液晶系统的理论新进展

受限液晶体系是软物质领域里一类基本的问题,理论方法是研究该问题的一种重要的手段.本综述简要回顾了液晶体系理论的发展历程,介绍了Onsager模型、Maier-Saupe模型、Landau-de Gennes展开、Frank弹性模型和高分子液晶的自洽场模.近几十年,使用这些理论模型,辅以适合的边界条件,已有大量的针对受限液晶体系的理论研究.本文重点介绍了受限体系最近20—30年的主要进展,包括狭缝中液晶体系的实验与理论进展、限制在二维平面中封闭曲线内液晶体系的指向行为、限制在三维球面上刚性分子的缺陷结构的研究进展,在此基础上指出了学科中尚未解决的前沿问题及与实际应用有关的重大问题.     

专题:软物质研究进展

正编者按在物理学研究的早期历史上,很多享誉世界的大科学家,如爱因斯坦、朗缪尔、弗洛里等,都对软物质物理的发展做出过开创性贡献.自de Gennes 1991年正式提出"软物质"概念以来,软物质物理学发展更为迅猛,不仅极大地丰富了物理学的研究对象,还对物理学基础研究,尤其是与复杂体系、非平衡现象(如生命现象)密切相关的物理学提出了重大挑战.作为物理学与数学、化学、生物学、工程等学科的重要交叉点,软物质物理的研究无疑对推动多学科的交集协同发展有着极其重要     

专题:软物质研究进展

正编者按在物理学研究的早期历史上,很多享誉世界的大科学家如爱因斯坦、朗缪尔、弗洛里等,都对软物质物理的发展做出过开创性贡献.自de Gennes 1991年正式提出"软物质"概念以来,软物质物理学发展更为迅猛,不仅极大地丰富了物理学的研究对象,还对物理学基础研究,尤其是与复杂体系、非平衡现象(如生命现象)密切相关的物理学提出了重大挑战.作为物理学与数学、化学、生物学、工程等学科的重要交叉点,软物质物理的研究无疑对推动多学科的交集协同发展有着极其重要的作用.     

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。     

软物质的物理实验在普通高校教学中的推广

软物质物理学的蓬勃发展已使其成为一个特色学科, 因而有必要在普通高校的物理教学中开设有关 软物质物理方面的课程. 有鉴于此, 近5年来我们尝试在普通物理实验教学中开设了一些具有代表性的软物质物理 实验, 以期将软物质物理学逐渐融入到相应的理论和实验教学中, 拓展学生的视野. 首先对比了国际和国内的软物 质物理实验室的建设情况, 然后介绍了一些与传统物理学结合紧密的典型软物质物理实验. 在此基础上, 阐述了在 普通高校物理实验中引入软物质物理实验的必要性及意义, 旨在使大学生在物理方面的多元化的训练, 从而全面 提升综合素质, 强化软物质物理的研究队伍     

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.     

软物质和分数阶导数建模

相对于一般的硬物质(如金属、半导体，陶瓷等)，软物质是介于理想固体和流体之间的复杂状态物质(又称复杂流体，软凝聚态物质)，如生命物质、聚合物、液晶、土壤、胶体、薄膜、颗粒物质、多孔岩层、石油等。软物质的物理性质主要由其介观(介于宏观和微观之间)尺度的大分子或基团的结构和性质决定，现有的物理和力学理论还不能很好地解释其运动规律和行为。本研究主要包括3个方面的内容：(1)以研究软物质的宏观力学行为为研究对象的软物质力学(唯象)；(2)描述软物质的介观量子力学理论；(3)软物质介观尺度的时空结构。另一方面，统称分数阶时间导数、LeVy稳态分布、分数布朗运动、Hurst指数、I/f能谱、分形等数学方法为分数阶数学。     

颗粒物质(上)

颗粒物质是地球上存在最多、最为人们所熟悉的物质类型之一．大量颗粒组成的离散态物质体系具有特别的性质和运动规律．颗粒物质表现出许多不同于固、液、气物质的奇特现象和独特的运动规律．由于对颗粒物质运动规律的理解具有重要科学意义和应用背景，近十年来颗粒物质研究逐步成为物理学研究中的一个活跃领域．文章综述了颗粒物质的一些主要特性，如颗粒物质的静态性质、振动行为、流动特性等，其中也包括文章作者的一些新近研究结果．限于篇幅，文章分为上、下两部分发表．第一部分在对颗粒物质作一般介绍后讨论颗粒物质的静态特性，第二部分则主要讨论颗粒物质振动时的行为和流动性质．     

干活性物质的动力学理论

活性物质是融合非平衡态统计物理、软物质物理和生命科学的新兴交叉学科,近几年取得了飞速的发展.本文简短回顾了"干"活性物质的理论研究进展,从统计物理的角度,围绕有序性、有序-无序相变和粒子数涨落这几个问题对极性和非极性系统的连续体理论做了重点介绍,并讨论了理论预测和数值以及实验结果之间的关系.     

非晶合金中的流变单元

非晶合金是一类具有诸多优异性能的先进金属材料,同时也是研究非晶态物质的模型体系.最近,大量的实验和模拟证据显示,在非晶合金中可能存在类似晶体中缺陷的"流变单元",这些动力学单元和非晶合金的的流变、物理、力学性能密切关联.本文主要综述了流变单元提出的背景、实验证据、流变单元的特征、激活与演化过程、相互作用以及相关的理论.文中提供了大量实验证据证明流变单元模型不仅可以帮助理解非晶态物质中如形变、玻璃转变、弛豫动力学以及非晶结构和性能的关系等重要的基本物理问题,而且可以指导非晶合金性能的调控和设计,获得性能优异的非晶合金材料.     

强关联电子体系的量子蒙特卡罗计算

理解强关联电子体系是一个长期的重要目标,该体系的魅力不仅在于其背后蕴藏着深刻的物理,还在于其中涌现出的丰富物质态在量子调控、量子计算等领域具有巨大的潜在应用价值.同时,理论上非微扰地理解强关联电子体系是极其困难的,一直充满挑战.量子蒙特卡罗计算是一类非微扰计算的标准方法,有助于对强关联电子体系提供非微扰的理解,因而广泛运用于凝聚态和高能物理领域.然而,量子蒙特卡罗计算通常会受到负符号问题的困扰.本文将具体介绍一些无负符号关联电子模型的设计思路,并讨论我们近期提出的符号边界理论.通过设计无负符号或者具有代数符号行为的强关联电子模型,可以帮助人们研究很多重要的量子多体问题,包括巡游磁性量子临界行为、非常规超导和磁性序的竞争,以及莫尔(moiré)量子物质中的关联物相与相变等.     

电子关联效应在固体物理教学中的意义探讨

固体的电子理论是以独立电子和单电子近似为基础,单电子在周期势场中的运动发展成能带理论.能带理论重要的成就之一是成功地预言了晶体的导电性,而对一些过渡金属氧化物特性的解释出现了问题. Mott首先在物理上指出,其根本原因是基于单电子近似得到的能带理论忽略了电子之间的关联作用.本文通过介绍单电子近似的基本思路和所获得的成就及其不足,进而讨论电子关联在目前凝聚态物理如超导、魔角石墨烯等前沿问题中的重要意义.在教学中,电子关联效应是固体物理基础知识和前沿问题相互连接的纽带,具有承上启下的作用.因此,在教学中应重视电子关联现象的讲解及在前沿物理领域中作用.     

软物质研讨会简讯

由中国科学院物理研究所主办的“软物质研讨会”于 2 0 0 0年 6月 19— 2 8日在北京举行 .这次研讨会得到国家科技部、中国科学院、国家自然科学基金委员会、中国物理学会、中国科学院物质科学基地等部门的支持 .国内外 80余人 (包括美国、法国、英国、及我国台湾和香港地区 14人 )参加了研讨会 .中国科学院白春礼副院长、科技部邵立勤副司长、中国物理学会杨国桢院士等负责同志参加了会议部分活动 .软物质 (或称凝聚态软物质 )是指处于固体和理想流体之间的物质 ,包括液晶、聚合物、胶体、乳液、膜、泡沫、颗粒物质、生命体系物质等 ,它们…     

用光晶格模拟狄拉克、外尔和麦克斯韦方程

相对论性量子力学波动方程,如狄拉克、外尔和麦克斯韦方程,是描述微观粒子运动的基石.最近的实验和理论研究表明,冷原子系统中几乎所有参数都可精确调控,因此冷原子系统被认为是实现量子模拟的理想平台,可以用来研究高能和凝聚态物理中的一些基本问题.本文介绍了设计原子光晶格哈密顿量的思路和方法,主要涉及激光辅助跳跃的理论.基于这些方法,物理学界提出了利用光晶格体系模拟相对论性量子力学波动方程,包括狄拉克、外尔和麦克斯韦方程等,并且预言了一些在基本粒子物理中很难观察到,但在冷原子体系可能观察到的物理现象.本文综述了国际上此领域的研究进展.     

非晶态物质的本质和特性

非晶态物质是复杂的多体相互作用体系,其基本特征是原子和电子结构复杂,微观结构长程无序,体系在能量上处在亚稳态,具有复杂的多重弛豫行为,其物理、化学和力学性质、特征及结构随时间演化。不稳定,随机性,不可逆是非晶物质的基本要素,自组织,复杂性,时间在非晶物质中起重要作用。复杂的非晶态物质有很多基本而独特的性质。非晶态物质的复杂性没有能阻挡住人们对它的兴趣和研究。现在人们把越来越多的目光从相对简单的有序物质体系关注到复杂相互作用的无序非晶体系。近几十年来,非晶的研究在无序中发现有序,在纷繁和复杂中寻求简单和美,引领了新的研究方向,导致很多新概念、新思想、新方法、新工艺、新模型和理论,以及新物质观的产生。非晶态合金(又称金属玻璃)是50多年前偶然发现的一类新型非晶材料。非晶合金的发现极大地丰富了金属物理的研究内容,带动了非晶态物理和材料的蓬勃发展,把非晶物理研究推向凝聚态物理的前沿。今天,非晶物理已成为凝聚态物理的一个重要和有挑战性的分支。非晶态材料不仅成为性能独特、在日常生活和高新技术领域都广泛使用的新材料,同时也成为研究材料科学和凝聚态物理中一些重要科学问题的模型体系。本文试图用科普的语言,以非晶合金为典型非晶物质综述非晶物理和材料的发展历史和精彩故事、介绍非晶科学中的主要概念、研究方法、重要科学问题和难题、非晶材料的形成机理、结构特征、非晶的本质、非晶中的重要转变–玻璃转变、非晶中的重要理论模型、物理和力学性能及非晶材料的各种应用等方面的研究概况和最新的重要进展。还介绍了非晶领域今后的研究动态及趋势,以及这门学科面临的重要问题、发展前景和方向。     

物质的导电性

本文打算把物质的导电性作一简单而通俗的介绍。由于电导问题的内容十分丰富,只能讨论一些主要的实验规律;在理论方面,由于量子理论要涉及高等数学和量子力学方面的知识,而且内容又很多,因此,我们只能作经典理论的讨论。     

软物态方程支持大质量中子星机制概述

重离子碰撞实验分析及相关理论研究认为高密度非对称核物质可能具有较软的物态方程;在约2～3倍饱和核密度下超子等奇异物质的出现也可能会使物态方程变软。然而,软物态方程却无法支持大质量中子星。脉冲星PSR J1614-2230具有大质量(1.97±0.04)M⊙的观测发现使这一矛盾变得尤为突出。为了解决该矛盾,人们提出了各种可能的物理机制:包括考虑修正的引力理论、修改描述高密度物质物态的理论模型等。在概述和讨论这些能使软物态方程支持大质量中子星的可能物理机制的基础上,还计算和讨论了强电场、强磁场对中子星最大质量的影响,发现强电磁场可以有效地增大中子星的最大质量。     

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.