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1、Company LOGO软物质简介Contents1.自组织理论基本介绍自组织理论基本介绍3.软物质的自组织特性软物质的自组织特性4.软物质自组织的形式 5.软物质自组织的意义软物质自组织的意义2.神奇的软物质什么是自组织？什么是自组织？v组织组织是指系统内的有序结构或这种有序结构的形成过是指系统内的有序结构或这种有序结构的形成过程。程。德国理论物理学家H.Haken认为，从组织的进化形式来看，可以把它分为两类：他组织和自组织。v他组织他组织：一个系统靠外部指令而形成组织。一个系统靠外部指令而形成组织。v自组织自组织：不存在外部指令，系统按照相互默契的某种不存在外部指令，系统按照相互默契的某种
2、规则，各尽其责而又协调地自动地形成有序结构。规则，各尽其责而又协调地自动地形成有序结构。一些例子一些例子化学振荡人体将食物转化为身体的一部分自组织理论自组织理论自组织理论是20世纪60年代末期开始建立并发展起来的一种系统理论。v自组织的定义自组织的定义：混沌系统混沌系统在在随机识别随机识别时形成时形成耗散结构耗散结构的过程。的过程。v研究对象：研究对象：复杂自组织系统（生命系统、社会系统）复杂自组织系统（生命系统、社会系统）的形成和发展机制问题。的形成和发展机制问题。v组成部分：组成部分：耗散结构理论耗散结构理论（Dissipative Structure）、）、协同学协同学（Synerget
3、ics）、）、突变论突变论（Catastrophe Theory）和超循环理论（）和超循环理论（Super circle）。）。耗散结构理论耗散结构理论v耗散结构耗散结构：建立在与环境发生物质、能量交换关系基础上的结构。v形成条件形成条件：远离平衡态、系统的开放性、系统内不同要素间存在非线性相互作用和涨落。耗散结构理论主要研究系统与环境之间的物质与能量交换关系及其对自组织系统的影响等问题。（1）远离平衡态：离平衡态是相对于平衡态和近平衡态而言的。平衡态是指系统各处可测的宏观物理性质均匀；近平衡态是指系统处于离平衡态不远的线性区；远离平衡态是指系统内可测的物理性质极不均匀的状态。（2）非线性作用
4、：系统产生耗散结构的内部动力学机制，正是子系统间的非线性相互作用。耗散结构理论耗散结构理论在临界点处，非线性机制放大微涨落为巨涨落，使热力学分支失稳，在控制参数越过临界点时，非线性机制对涨落产生抑制作用，使系统稳定到新的耗散结构分支上。（3）开放系：由熵增原理，一个孤立系最终达到最无序的平衡态。但对于开放系，只要外界向系统输入足够的负熵以抵消系统本身的熵增，总熵减少，系统可以进入相对有序的状态。（4）在临界点(即所谓阈值)附近，涨落被不稳定的系统放大，最后促使系统达到新的宏观态。协同学和突变论协同学和突变论v协同学协同学主要研究系统内部各要素之间的协同机制，认为系统各要素之间的协同是自组织过程
5、的基础，系统内各序参量之间的竞争和协同作用使系统产生新结构的直接根源。v突变论：突变论：在临界点附近控制参数的微小改变导致系统状态明显的大幅度变化的现象，叫做突变。耗散结构的出现都是以这种临界点附近的突变方式实现的。从混沌到组织从混沌到组织v指出一个开放系统开放系统(不管是力学、物理学、化学，还是生物学、社会学的系统)，在从平衡态到近平衡态再到远离平衡态推进的过程中，当到达远离平衡态的非线性远离平衡态的非线性区区时，一旦系统的某个参量变化达到一定的阈值阈值，通过涨落，系统就可能发生突变突变，即非平衡相交，由原来的由原来的无序的混乱状态转变为一种时间、空间或功能有序的新无序的混乱状态转变为一种时
6、间、空间或功能有序的新的状态。的状态。这种有序状态需要不断地与外界交换物质和能量才能维持，并保持一定的稳定性，且不因外界微小的扰动而消失。v这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，普利高津称之为耗散结构。系统这种能够自行产生的组织性和相干性，称为自组织现象。 旧石器时代 新石器时代 陶器时代 青铜器时代 铁器时代历史学家选择了把某一类材料的特征及其广泛应用作为人类文明史各个阶段的一种标志v那么我们现在所处的这个时代应该称为什么时代呢？钢时代？硅时代？塑料时代？合成材料时代？半导体时代？精密陶瓷时代？复合材料时代？纳米时代？v考虑到上述各种因素之后，有人提出材料应该定义为：人类社会
7、所能够接受的经济地制造有用器件的物质。v材料科学材料科学 20 世纪对于材料的发展历史来说是一个值得大书特书的时期。20 世纪科学技术领域一系列惊人的重大发现导致了原子能、航空航天、激光、信息、能源等领域的巨大变化，而这些巨大变化则有力地促进了材料的发展，使得材料在20 世纪中叶发生了一次“革命性”的飞跃，这个飞跃的标志就是“材料科学”的形成。v20 世纪中叶的几项成果 超音速飞机(镍基超级合金)计算机(晶体管、半导体)航天飞机(高温结构陶瓷)材料科学的不断发展，使物理学和化学的相应领域出现了革命性的进步，诞生了许多新思想、新概念、新理论。其中，软物质的概念就是其中最为重要的一个。奇妙的奇妙的
8、软物物质P.G.de Gennes 1991年,P.G.De Gennes（德热纳）,在诺贝尔物理奖颁奖演讲中明确提出了“软物质”的概念何谓我们所指的软物质？何谓我们所指的软物质？美国人宁可称为“复杂流体”在本世纪上半叶原子物理学的巨变中，一个自然的结果就是软物质，其基础是高分子、表面活性剂、液晶，还有胶体粒子。v1.聚合物都具有很强的抗化学腐蚀的能力。看看我们的家中，洗洁晶、洁厕净等大多数清洗的东西都盛在塑料容器内；许多强腐蚀性的化学药品也都用塑料来包装。v 2聚合物大多既不导电又不导热。家用电器大都使用聚合物材料来绝缘。而在厨房里转转，锅的把手，咖啡壶的柄等都使用聚合物来隔热。v3聚合物很
9、轻但可以承受不同的力。从各种塑料玩具到房屋的框架结构，还有用于防弹衣的尼龙纤维。v 4聚合物可以被加工成各种不同的形状，从光纤到复杂的部件。例如，塑料既可以被塑造成瓶子也可以被加工成汽车的车体，还可以与适当的溶剂混合形成粘合剂或者油漆。奇妙的奇妙的软物物质奇妙的奇妙的软物物质软物物质的特性的特性v对外界微小作用有很强的反应是软物质的第一个基本特征。对外界微小作用有很强的反应是软物质的第一个基本特征。天然橡胶分子的200个碳原子中，只要有一个与硫原子发生作用，就会使天然橡胶汁从液体变成具有弹性的固体；一滴卤水就能使一锅豆浆凝结成豆腐；一滴骨胶可以使墨汁长期稳定而不沉淀；一颗钮扣电池可以驱动液晶手
10、表工作几年v熵弹性是软物质的第二个基本特征熵弹性是软物质的第二个基本特征。在软物质中，内能的变化很小，体系的变化主要由熵变引起。从能量来讲，软物质的“软”与“可变”性来源于它们之间的相互作用的范德瓦尔斯力，其作用势在室温时可用kbT来衡量，因此结构的热涨落不可忽视。v复杂性复杂性 构成软物质的基元多数是化学结构复杂；分子功能复杂；分子自组装形成复杂结构v自组装自组装 在一定条件下，分子在溶液中通过空间自组织自发地产生一个结构确定、具有一定功能的微观有序结构的过程。软物质的自组织特性软物质的自组织特性v软物质的软物质的“软软”：软物质的根本特征是在外界(包括温度和外力等)有微小的作用下，会产生显
11、著的宏观效果，所谓小的影响大的效果。v之前说过产生耗散结构的内部动力学机制是非线性相互作用，而软物质因为其“软”的特征，还要受到动力学效应和熵效应的影响。动力学效应和熵效应常常克服复杂相互作用产生的失措所引起的拓扑缺陷等,以辅助自组装、自组织过程顺利进行。v软物质通过分子自身自组装，外界驱动或熵作用下在空间区域形成一种相干的有序结构，所谓空间自组织结构。 自组装就是在一定条件下，分子在溶液中通过空间自组织自发地产生一个结构确定、具有一定功能的微观有序结构的过程。软物质的自组织行为比通常的硬物质自组织更为复杂。实际上，软物质的一个非常重要的响应就是通过分子自身自组装、外界驱动或者熵作用下在空间区
12、域形成一种相干的有序结构，所谓空间自组织结构。常见的自组织有序结构有空间取向或周期有序出现，如液晶。另一类自组织有序结构是所谓的标度对称性，即空间自相似结构，这类有序结构广泛存在于非平衡的自组织现象里，特别发生在软物质自组装（织）演化后期。软物质自组织的形式软物质自组织的形式v超分子自组装超分子自组装 例：双亲分子等活化剂自组装和聚集v单分子的自组织单分子的自组织 例：生物大分子折叠v熵驱动下的自组织熵驱动下的自组织v非平衡动力学自组织非平衡动力学自组织 例：场致相变、流致相变、远离平衡自组织临界等。熵驱动下的自组织熵驱动下的自组织v能致相变与熵致相变能致相变与熵致相变v降低系统自由能 的方式
13、：降低系统能量 或提高熵 。对硬物质，通常H占主导，某种近似下可认为H决定系统的平衡态有序结构，即能致相变；而对软物质来说，状态变化过程中其能量H几乎保持不变，所以确定平衡态有序结构的自由能最小要求S最大而不是H最小，即熵致相变。v由Boltzmann 表示式给出的熵的定义：v可以发现其中的矛盾矛盾：W表示对应宏观状态的微观状态数，S越大，微观状态数越多，系统越无序，似乎与熵致有序结构矛盾。熵驱动下的自组织熵驱动下的自组织v问题：问题：熵增导致有序还是无序？v例例1：如下图：如下图 混合熵混合熵 vs vs 平移熵平移熵(a)胶体粒子分离时由于排斥体积引起聚合物小分子浓度较高。(b)粒子聚集后
14、聚合物小分子浓度降低,自由体积增加。熵驱动下的自组织熵驱动下的自组织v例例2：早在1949 年,Onsager 指出,一个各向同性的液晶系统随着液晶棒浓度的增加,一定会出现一个由液晶棒沿某一方向取向有序的向列晶相的转变。取向熵取向熵 vs vs 平移熵平移熵取向几乎平行的液晶棒所占有的自由空取向几乎平行的液晶棒所占有的自由空取向几乎平行的液晶棒所占有的自由空取向几乎平行的液晶棒所占有的自由空间间肯定比无肯定比无肯定比无肯定比无规规取向的棒自由空取向的棒自由空取向的棒自由空取向的棒自由空间间大大大大,从而从而从而从而导导致液致液致液致液晶棒有更大的平移晶棒有更大的平移晶棒有更大的平移晶棒有更大的
15、平移熵熵。熵驱动下的自组织熵驱动下的自组织v宏观有序与微观无序宏观有序与微观无序 从上述例子可以看出，熵增（即微观无序度的增加）导致了宏观上有序度的增加，在一定条件下，这是可以存在的。当然，我们一般讨论的软物质其聚集体是处于介观尺寸的。结论：结论：熵可以作为系统形成有序结构的驱动力。软物质自组织的意义软物质自组织的意义v通过化学自组装、合成和相分离等方法实现高度有序的通过化学自组装、合成和相分离等方法实现高度有序的新功能和新结构材料；新功能和新结构材料；v探索亚微米和纳米尺度下有序微结构的物理特性；探索亚微米和纳米尺度下有序微结构的物理特性；v人工微结构新材料和新工艺制备技术的探索；人工微结构新材料和新工艺制备技术的探索；软物质在纳米技术的应用形式：软物质在纳米技术的应用形式：一种是采用先进的加工技术,如微机械加工、微刻蚀等手段，将构造的纳米化推进到极限，即所谓的“自上而下方式”（top-down);特点：精密准确，当往往投入较大，周期较长。另一种则是使构筑单元通过协同自组装、模板构筑等方法，制备出能够精密控制其构成和性能的纳米构造，从而发现新的功能，即“自下而上”(bottom-up)。特点：缺陷较多，可控制性不十分理想；但属于真正意义上的“调控”