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     

场诱导软物质智能材料研究进展

场诱导软物质智能材料是指一类能够响应场作用并引起整个系统的量乃至质的改变的软物质材料.在场(磁场、电场、温度或者光等)的诱导下,材料内部微结构发生化学或者物理变化,从而导致材料某些宏观性质(机械、光学等)出现较大的变化,以达到某种智能控制的目的.本文系统介绍了磁流变液、电流变液以及高分子凝胶等几种典型的场诱导软物质智能材料,回顾了该领域近几年的研究及其应用进展,探讨了研究的前沿问题及发展趋势,特别指出了软物质智能材料的研究及应用呈现出的复杂性和跨学科性,需要各个学科的协同发展,才可能取得突破性进展.     

硬物质和软物质

历史上两次工业革命体现了物理学与技术的关系,都是以物理学对硬物质的认识作为物质条件的,软物质介于液体和理想固体之间,兼有液体的热涨落行为和固体的强束缚自组织特性,以及弱力引起强变化的奇异特性,新世纪是各学科交叉创新的世界,软物质学的发展将对新世纪科学技术产生深远的影响。     

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…     

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。     

软物质实验方法前沿:单分子操控技术

传统的分子生物学实验方法基本都是系综的方法,测量的信号来自大量的生物分子的平均响应,这不利于得到生物分子的构象转变与功能的动力学细节.另外,很多生物大分子如细胞骨架蛋白、分子马达等在行使功能的时候都会受到或者产生力的作用,传统的实验方法也难于研究生物分子的力学响应.最近20年左右发展起来的单分子操控技术可以实现对单个分子的操控,同时测量单个分子在拉力作用下的力学响应.最为常用的单分子操控技术主要包括光镊、磁镊和原子力显微镜,不同的技术有不同的特点和适用范围.本文对几种常用的单分子操纵技术的特点,包括物理原理、可以施加的力的范围与精度、可以测量的分子长度范围与精度等做一个系统的介绍.另外,单分子操控技术在生物大分子如核糖核酸(DNA),脱氧核糖核酸(RNA)和蛋白质的构象转变,相互作用,以及分子马达的功能机理等方面已经取得的丰富成果也给出概括性的介绍.本文对生物学家系统的了解单分子操控技术和如何应用该技术解决自己的生物问题提供一个有益的参考.     

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。     

软物质主要理论综述

本文主要讨论了软物质体系的一些主要理论,如弹性理论、相变理论、标度理论、自洽场理论、颗粒物质理论的发展历史和现状,同时讨论了熵在软物质体系中的作用等.软物质体系中还有一些重要的动力学理论,如黏性问题、扩散问题、介面波的运动等问题均没有在本文中提及,这些领域中也有一些软物质体系重要的理论研究工具和手法.     

软物质的自组织

软物质的基本特征使得软特在各种互作用竞争，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。     

专题:等离激元增强光与物质相互作用

<正>编者按光学是现代科学和技术的基础:现代科学的两大支柱量子力学和相对论是建立在对黑体辐射、光电效应和光速不变性等的深刻理解基础之上的;光通讯、显示、存储和计算等光信息技术,光伏和LED等光能源技术,激光诊断和治疗等光医疗技术,以及激光加工和制造技术等先进光学技术的发展,极大地推动了人类社会的进步.随着纳米科学和光学器件小型化的发展,光学进入了微纳时代.比如紫外到可见光的波长范围大约在     

中国科学院物理研究所软物质与生命物质物理重点实验室

软物质与生命物质研究是典型的学科交叉,其内容跨越物理、化学和生物三大学科,是物质科学通向生命科学的桥梁,是21世纪凝聚态物理研究的前沿。为促进交叉学科发展,中科院物理研究所结合已有基础和综合优势,于2001年4月率先在国内成市软物质物理实验室,由王鹏业研究员和陆坤权研究员分别担任实验室主任和学术委员会主任。     

高分子软物质动力学与NMR

高分子熔体或浓溶液中链段扩散和链的弛豫模式满足普适的物理定律,这些定律代表了高分子链动力学的普遍特征.核磁共振(NMR)则为我们直接验证这些物理定律或揭示高分子运动的基本规律提供了强有力的实验手段.本文介绍三个基本的高分子动力学模型(即Rouse模型,蛇行/管道模型和重整化Rouse模型)和以这三个理论模型为基础的NMR实验原理和技术.最后对相关的NMR实验结果进行了综述,并着重与理论模型所期待的结果进行了比较.     

复杂而有序的软物质

法国物理学家德·热纳(P. G. De Gennes)(图1)在1991 年获得诺贝尔物理奖时,以“软物质”为题演讲,首次用“软物质”一词概括所有“软”的东西,包括普通的流体和当时美国学者惯常称呼的“复杂流体”,从此推动了一门21 世纪跨越物理、化学和生物三大学科的重要交叉学科的发展。     

生物软物质研究的新进展

文章对近年来中科院物理研究所软物质物理实验室生物软物质研究的部分新进展做一简略介绍,包括DNA单分子研究,DNA与组蛋白的相互作用动力学研究,生物分子马达的运动机制研究,解旋酶与DNA的结合以及解旋DNA的动力学研究,朊病毒片段聚集的分子动力学研究,蛋白质折叠动力学的脉冲升温-时间分辨光谱研究,光合细菌外周捕光天线膜蛋白的拓扑结构研究等.     

表面张力导致软物质表面皱痕

软物质存在于我们日常生活中。多数生物组织由软性物质构成,在某个应力下容易发生变形。软物质自由表面在压应力下发生的大变形会导致其形貌的复杂变化,产生如同手风琴风箱的形变。当压应变足够大时,原自由表面会弯折成为褶皱,形成折叠的沟谷,最终成为互相接触的表面。压缩力在生物组织中造成的褶皱,如同大脑的脑沟,或者弯曲手肘的表皮折叠。这类褶皱通常在软物质表面保持一种固定的皱痕。然而,尽管这种特征随处可见,人们仍然不清楚为什么应力移开后,皱痕仍然保留;为什么全同的材料表面受到均匀压缩后,褶皱总会在某些特定位置产生。德国马普所Michiel van Limbeek团队发现,反复周期形变的软物质最终形成皱痕的原因是液体浸润过程中折叠与解折叠的不对称性。     

生物软物质研究的新进展

文章对近年来中科院物理研究所软物质物理实验室生物软物质研究的部分新进展做一简略介绍,包括DNA单分子研究,DNA与组蛋白的相互作用动力学研究,生物分子马达的运动机制研究,解旋酶与DNA的结合以及解旋DNA的动力学研究,朊病毒片段聚集的分子动力学研究,蛋白质折叠动力学的脉冲升温-时间分辨光谱研究,光合细菌外周捕光天线膜蛋白的拓扑结构研究等.     

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。     

中国科学院物理研究所软物质与生物物理重点实验室

软物质与生命物质研究是典型的学科交叉,其内容跨越物理、化学和生物三大学科,是物质科学通向生命科学的桥梁,是21世纪凝聚态物理研究的前沿:为促进交叉学科发展,中科院物理研究所结合已有基础和综合优势,于2001年4月率先在国内成立软物质物理实验室,由王鹏业研究员和陆坤权研究员分别担任实验室主任和学术委员会主任。又于2009年12月由中科院组     

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.