文|創(chuàng)瞰巴黎

導(dǎo)讀

“軟物質(zhì)”一詞，來自于1991年發(fā)表的諾貝爾物理學(xué)獲獎演講。軟物質(zhì)的研究關(guān)注特殊條件下的液體，由于其研究對象種類廣，軟物質(zhì)學(xué)的范疇難以界定。

一覽：

• “軟物質(zhì)”一詞，來自于法國物理學(xué)家Pierre-Gilles de Gennes（皮埃爾-吉勒·德熱納）1991年發(fā)表的諾貝爾物理學(xué)獲獎演講。
• 軟物質(zhì)研究關(guān)注特殊條件下的液體——包括成分復(fù)雜的液體，以及成分簡單但狀態(tài)復(fù)雜的液體。
• 軟物質(zhì)學(xué)的主要研究對象是由至少兩種物質(zhì)組成的異質(zhì)復(fù)合物，同時具有固態(tài)和流體態(tài)的特點。
• 剃胡膏、沙子等日常物質(zhì)都可以作為軟物質(zhì)學(xué)的研究對象。
• 由于研究對象種類廣，軟物質(zhì)學(xué)的范疇難以界定，該學(xué)科課題的共同點在于研究手段而非對象。

坐在雨中行駛的車輛里，常能看到雨珠掛在車窗上，緩緩流下，仿佛黏在玻璃上一般，這是為什么呢？平時流動性極強的液態(tài)水，附著在玻璃上難道進入了另一種形態(tài)？答案可不簡單[1]！

再者，為什么附著在豎直玻璃面上的雨珠，流速居然比平地上的河流還要慢？看似平凡的現(xiàn)象，背后是科學(xué)家們?nèi)栽谂μ剿鞯囊粋€奇妙領(lǐng)域：軟物質(zhì)學(xué)。

01 軟物質(zhì)學(xué)的誕生

根據(jù)巴黎綜合理工大學(xué)流體動力學(xué)實驗室（LadHyX）研究員Christophe Josserand介紹，軟物質(zhì)研究始于20世紀(jì)初，當(dāng)時研究對象主要是液晶和多聚物——兩種典型的介于固態(tài)和液態(tài)間的物質(zhì)。不過，“軟物質(zhì)”這一名詞直到1991年才被正式提出。那年，法國物理學(xué)家Pierre-Gilles de Gennes（皮埃爾-吉勒·德熱納）在諾貝爾物理學(xué)獎頒獎儀式上發(fā)表了題為《軟物質(zhì)》[2]的演講。

“1991年，法國物理學(xué)家Pierre-Gilles de Gennes（皮埃爾-吉勒·德熱納）在諾貝爾物理學(xué)獎頒獎儀式上發(fā)表了題為《軟物質(zhì)》的演講?！?/p>

德熱納是軟物質(zhì)學(xué)界的領(lǐng)軍人物。LadHyX研究員David Quéré在法蘭西公學(xué)院就讀期間師從德熱納，并與德熱納共同著有《液滴、氣泡、液珠和波浪》一書[3]，被Josserand譽為“諾獎得主傳承者”。而Quéré則稱德熱納為“世界一流的重量級學(xué)者”。

Quéré指出：“德熱納發(fā)表諾獎演說之日，軟物質(zhì)這一定義模糊的領(lǐng)域終于獲得了正式學(xué)科的地位。”德熱納將曾經(jīng)互不相關(guān)的一系列問題都統(tǒng)一到了這門學(xué)科之下。這些問題的共性是涉及特殊條件下的液體——包括成分復(fù)雜的液體，以及成分簡單但狀態(tài)復(fù)雜的液體。德熱納的演講和學(xué)術(shù)成就，讓軟物質(zhì)研究這一與日常生活密切相關(guān)、充滿著諸多未知與奧秘的領(lǐng)域得到了更廣泛的認可。

02 生活中的軟物質(zhì)

軟物質(zhì)物理學(xué)的主要研究對象是由至少兩種物質(zhì)組成的異質(zhì)復(fù)合物，同時具有固態(tài)和流體態(tài)的特點。Quéré舉了一個例子——沙?！吧吃诓煌闆r下形態(tài)不同。沙地下陷時，體現(xiàn)其流體態(tài)，形成沙坡時卻體現(xiàn)其固態(tài)。”但是，固體沙礫和周圍的流體（空氣）有著明確的固-氣界面，毫無疑問地構(gòu)成了雙相介質(zhì)，沙礫間的相互作用力遵循最簡單的物理規(guī)律，大量沙礫聚集在一起卻呈現(xiàn)出似固似液的特性，十分耐人尋味。

軟物質(zhì)有時被稱為“模糊態(tài)物質(zhì)”甚至“智慧態(tài)物質(zhì)”，身邊的例子有很多：蛋黃醬、泡沫、泥巴、混凝土…都是生活中常見且用途廣泛的軟物質(zhì)。Quéré解釋道：“剃須膏的主要成分是水和氣體。這兩種物質(zhì)混合前流動性都很強，混合后卻變成類似固態(tài)的物質(zhì)，可以捧在手上，涂抹在臉上，接觸皮膚后又變成半固態(tài)，說來是不是很神奇？”

Josserand補充道：“打發(fā)蛋白時，打蛋器將空氣與蛋白結(jié)合，形成液體、脂肪、表面活性劑構(gòu)成的異質(zhì)混合物，呈泡沫狀。放進烤箱烤一會兒，就會變成固態(tài)的蛋白酥。生活中有不少像這樣既奇妙又極具實際意義的軟物質(zhì)問題?！?/p>

03 軟物質(zhì)學(xué)和石油開采

軟物質(zhì)研究有著重大實際意義?，F(xiàn)代軟物質(zhì)研究可追溯到1973年，第一次石油危機爆發(fā)之際。石油開采一般只能抽取井里儲備量的50%，埃克森石油公司（埃索石油的母公司）當(dāng)時便立志要想辦法將剩余的50%利用起來。如今世界經(jīng)濟不景氣，美國油氣業(yè)更是不舍得將大半珍貴的石油儲備量留在地下。

Quéré指出：“剩余油抽取是一個典型的軟物質(zhì)問題。一方面，剩余油本身是黏性油，狀態(tài)復(fù)雜。另一方面，其抽取涉及將表面活性劑水溶液注入油層驅(qū)替，在充滿孔隙的巖石內(nèi)形成乳狀液。各種物理化學(xué)、流體力學(xué)作用在狹小空間相遇，極大提高了分析難度，只有通過基礎(chǔ)研究，才有望總結(jié)出其機理，并催生出一系列激動人心的新領(lǐng)域。”

04 軟物質(zhì)學(xué)的跨學(xué)科性

由于研究對象種類廣，軟物質(zhì)學(xué)的范疇難以界定，該學(xué)科的課題共同點在于研究手段，而非對象。Josserand說：“軟物質(zhì)學(xué)囊括物理、生物、應(yīng)用數(shù)學(xué)、化學(xué)等多個傳統(tǒng)學(xué)科，與其相輔相成，內(nèi)涵豐富。LadHyX的工作很好地體現(xiàn)了軟物質(zhì)研究的跨學(xué)科交互性。我們的研究員來自非線性物理、流體力學(xué)領(lǐng)域，在做生物力學(xué)項目時還會與更多其他學(xué)科合作。軟物質(zhì)學(xué)界真可謂是‘海納百川’?！?/p>

Quéré也表達了類似的觀點：“軟物質(zhì)處于多個學(xué)科的交界處，其定義和范疇有一定的模糊性，所以我們常在幾個學(xué)科之間‘打轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)’。不過，軟物質(zhì)研究者有一套獨特的研究方式，在基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)間游刃有余地穿梭，開展重要的科研工作，將復(fù)雜的現(xiàn)象‘化繁為簡’。”

參考資料

1. David Quéré, Qu’est-ce qu’une goutte d’eau ?, Le Pommier, 2003

2. Pierre-Gilles de Gennes, Soft Matter – Nobel Lecture, December 9, 1991

3. Pierre-Gilles de Gennes, Fran oise Brochard-Wyart et David Quéré, Gouttes, bulles, perles et ondes, Belin, coll. échelles , 2002