第1章什么是软物质？
软物质泛指处于固体和理想流体之间的复杂凝聚态物质，主要特点是基本单元之间的相互作用较弱，容易受到温度等环境的影响，熵效应显著，会形成有序的结构单元[14。生活中常见的软物质包括胶体、液晶、橡胶和生物分子等，图1.1为RNA-蛋白质复合物分子结构示意图。在本章中，我们将讨论哪些物质是软物质分子？软物质分子有什么共同的物理性质？
1.1胶体
胶体是一种由微观颗粒悬浮在连续介质中的混合物，是生活中常见的软物质。胶体主要由分散相和连续相两部分组成，分散相是胶体中的微观颗粒，尺寸介于分子和颗粒物之间（1～lOOOrnn）。连续相是微观颗粒周围的介质，通常为液体。胶体的稳定性是指微观颗粒分散在连续相中的均匀程度。稳定胶体的颗粒保持分散状态，光照后会产生特有的散射现象。不稳定胶体的颗粒会形成较大的团块结构。在食品、药物、油墨、润滑剂和化妆品等工业中有广泛的应用。
胶体可以分为凝聚态胶体和溶胶态胶体两种基本类型，其微观颗粒之间的相
互作用决定了它们在宏观层面上的不同行为和性质。凝聚态胶体的微观颗粒会互相吸引，溶胶态胶体的微观颗粒会互相排斥。在凝聚态胶体中，微观颗粒之间存在吸引力，这种吸引力可以由范德瓦耳斯力、静电力或其他类型的相互作用引起。由于这种相互吸引，凝聚态胶体的微观颗粒倾向于聚集在一起，形成较大的聚集结构。这种趋势会导致凝胶的形成，而凝胶是一种凝聚态的胶体，其结构类似于固体但具有流动性，含有大量液体。相反，在溶胶态胶体中，微观颗粒之间存在互相排斥的力，这可能来自电荷相互作用或其他排斥机制。由于这种互斥作用，溶胶态胶体的微观颗粒倾向于分散在溶剂中，保持分散的状态，这使得溶胶态胶体具有较小的颗粒尺寸和相对稳定的分散性。1940年左右提出的DLVO（Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek）理论是描述胶体微观颗粒间相互作用的**理论，主要考虑了范德瓦耳斯力（公式（1.1））和静电力（公式（1.2））两种相互作用：
（1.1）
其中，r是两个分子间的距离；A和S是范德瓦耳斯常数。
（1.2）
其中，％和qj分别是两个微观颗粒的带电量；e是介电常数；r是原子间距离。范德瓦耳斯力是吸引力，静电力是胶体微观颗粒表面带电产生的静电排斥，DLVO理论可以描述胶体微观颗粒的稳定性和凝聚性。例如，牛奶是一种常见的由脂肪颗粒和乳清蛋白等组成的胶体体系，DLVO理论可以计算牛奶中脂肪颗粒和乳清蛋白颗粒之间的相互作用，确定影响牛奶的稳定性和质地的具体因素。
胶体中的微观颗粒受到周围分子的碰撞后会产生微小位移，表现出无规律的随机运动。1901年提出的斯莫卢霍夫斯基（Smoluchowski）理论模型可以描述胶体微观颗粒在流体中的扩散行为。通过扩散方程，我们可以考虑胶体微观颗粒受到流体分子碰撞的影响，并通过求解得到扩散系数D，爱因斯坦（Einstein）关系给出了扩散系数D与颗粒的平均位移之间的关系：
（1.3）
其中，〈：r2〉是胶体微观颗粒的平均位移；d是胶体颗粒体系的维度；i是时间。该理论适用于计算小尺寸颗粒在流体中的运动。例如，生活中常见的颜料颗粒扩散可以通过Smoluchowski理论模型进行精确计算，确定影响颜料稳定性与扩散能力的具体因素。
胶体具有一定的黏度和弹性，1868年提出的麦克斯韦（Maxwell）模型描述了弹性和黏性元素并联的流体，适用于描述弹性和黏性同时发生的情况。
由颗粒之间相互作用、流体性质等因素引起的应力可表示为
（1.4）
其中，G是弹性模量；是黏度。该模型可以计算胶体的流体性质，有助于优化胶体在工业应用中的输送和加工等性能。
1.2非牛顿体
流体在流动的时候其层与层之间的流动速度不一样，层与层之间会发生相对移动并产生摩擦力。牛顿流体的剪切力与剪切应变率呈正比关系。
生活中常见的淀粉浆、鸡蛋清和石油等流体的剪切力与剪切应变率不是简单的线性关系，这些流体称为非牛顿体。
非牛顿体有较为明显的剪切增稠效应。流体系统是固体分子和液体的混合液，以较小的剪切速度或弱力切割非牛顿体，固体分子有充足的时间向四周移动，所以呈现出可流动的液体性质。当我们以较快的剪切速度或强力切割非牛顿体时，固体分子的接触面积变大，系统呈现出较强的黏性和较大的摩擦力。例如，生活中常见的淀粉溶液是非牛顿体，缓慢搅动时呈现液体性质，但快速搅动时则有较强的黏性和阻力。
非牛顿体有较为明显的爬杆效应（图1.2）。如果将细杆插入非牛顿体快速旋转，细杆周围流体的黏度与摩擦力会增大，使得周围流体跟着细杆一起移动，产生
沿细杆爬升的现象。非牛顿体还有较为明显的无管虹吸效应。常见的虹吸现象源于液体分子的压强差，水会因为压强差从高处流向低处。非牛顿体快速流动时流体的黏度因为剪切速率的变化而急剧增大，在流体表面张力和摩擦力的作用下非牛顿体呈现从低到高的*线路径移动的虹吸效应。
1.3晶状体
晶状体是眼球的重要组成部分，主要由晶状体细胞、晶状体蛋白和水组成。晶状体细胞排列成长纤维，从晶状体前缘向后缘延伸。图1.3为晶状体蛋白的分子结构，主要为a-晶状体蛋白（PDBID:3L1F）、P-晶状体蛋白（PDB ID:10KI）以及Y-晶状体蛋白（PDBID:6FD8）。a-晶状体蛋白是一类相对较小的热稳定蛋白，p-晶状体蛋白是由四个相似亚基组成的一个四聚体结构并形成紧密的片层结构，与a-晶状体蛋白一起构成了晶状体的蛋白网络。Y-晶状体蛋白是眼球晶状体中*主要的蛋白质类型，会随着年龄的增加逐渐被a-晶状体蛋白和P-晶体蛋白取代。这些蛋白共同维持着晶状体的透明性和光学功能。晶状体具有弹性，悬挂于眼球的睫状肌和边缘膜，可以在眼球内部进行自由运动。
晶状体的调节功能是通过睫状肌的收缩和松弛来实现的，可以用弹性物理模型来解释晶状体的工作原理
（1-5）
其中，F是弹性力；A:是弹簧弹性系数；z是弹簧的伸长或压缩距离。当我们观察远处的物体时，睫状肌松弛导致晶状体变得扁平，减小了晶状体的焦距，使光线能在视网膜上聚焦。观察近处的物体时，睫状肌收缩使晶状体呈现圆形，增大了
晶状体的焦距，使近处的物体能够在视网膜上形成清晰的图像。晶状体会随着年龄的增长逐渐失去弹性，晶状体蛋白会发生生化与结构变化并逐渐硬化而无法有效聚焦，从而导致老年人看不清近处的物体。近视则是晶状体蛋白过于弯*，焦点聚集在晶状体前面所导致的。
1.4肥皂泡
月巴鸟泡是典型的软物质，薄膜干涉会使肥皂泡产生五彩斑斓的颜色，在外力的作用下具有可变形性和可塑性的特征。肥阜泡中液体分子间的吸引力表现出趋向减小表面积的性质，使肥皂泡表面形成薄膜包裹空气。肥皂膜具有一定的弹性，当肥皂泡内部气体压力与肥皂泡薄膜的表面张力平衡时，肥皂泡会保持一个相对稳定的形状。
肥皂泡的形成是一个液体薄膜在表面张力和气体压力的共同作用下的过程。这个过程中，分子在液体表面张力的作用下形成薄膜，内部充满气体，使得肥阜泡形成并维持特定的形状。
表面活性剂的浓度会随着肥皂泡薄膜变薄而变化o随着肥皂泡薄膜逐渐变薄’表面活性剂的浓度会发生变化，成为关于薄膜高度Z的函数。随着薄膜高度的增加，界面中的表面活性剂越来越少，表面张力逐渐递增。薄膜髙度为Z时的受力平衡为
（1.6）
其中，p是液体的密度；5是重力加速度；d是薄膜的厚度；z是薄膜的高度。肥皂泡薄膜顶部与底部间的张力差受到A7的限制，决定了肥阜膜的*大高度
（1.7）
其中，7是液体的表面张力。
肥皂膜中的水分蒸发和表面张力会引起肥皂膜的老化和变薄。水分蒸发后，肥皂膜随着时间的推移会逐渐失去稳定性和弹性并破裂或塌陷。在表面张力的作用下，肥皂膜的薄弱区域会受到拉伸。当肥皂膜的弹性不能承受表面张力的作用时，肥皂膜会发生破裂。肥皂膜内外层分子间的范德瓦耳斯相互作用会吸引两层表面逐渐靠近，并随着表面之间的距离减小而逐渐增强，导致薄膜收缩和变薄。
月巴皂膜逐渐老化的过程中，会形成一个4～10nm的稳定黑膜。该薄膜因为太薄而不能显示出干涉的颜色，正面和背面反射光的相位差超过180°，薄膜的厚度
可以通过以下公式计算:
（1.8）
其中，J与io是反射光与入射光的强度；r2是表面碰撞摩擦系数；n是薄膜的平均折射率；d是薄膜的厚度；A是光的波长。
肥皂泡的薄膜厚度通常在几微米到几十微米之间，范德瓦耳斯相互作用（引力）与膜厚的幂呈反比关系，静电相互作用（斥力）与膜厚呈指数关系。肥皂膜的老化是一个渐进的过程，其破裂与薄膜的表面张力、薄膜的厚度和黏性等多种因素相关。
1.5分子聚合物
分子聚合物是由相同或相似的小分子单体通过共价键连接而形成的髙分子化合物（图1.4）。在软物质中，分子聚合物通常形成长链状结构。例如，生活中常见的果冻就是一种聚合物凝胶。
弗洛里-哈金斯（Flory-Huggins）理论是于1953年提出的描述聚合物溶液中相行为的一种统计力学理论，适用于描述软物质中分子聚合物的相行为。该理论模型基于对聚合物链段的平均统计描述，考虑链间的吸引和排斥相互作用。*先，将聚合物链划分为若干链段，每个链段在平均场中受到相互作用的影响。然后，引入相互作用参数X，描述链段间的吸引和排斥相互作用。链段间的吸引作用有助于相溶，而排斥作用则促使发生相分离，自由能为
（1.9）
其中，A是组分i的摩尔分数；x是相互作用参数。**项表示熵的贡献，考虑了每个组分的贡献。第二项表示相互作用的能量贡献，当X为正时，表示聚合物链之间存在排斥作用；当x为负时，表示聚合物链之间存在吸引作用。
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