【旧文重发】漫谈软物质

(原文于2003年6月18日发表在虹桥科教论坛, 略有修改)

 “软物质”这个词,  大约是第一次由Pierre-Gilles de Gennes(中文早期翻译为 德.让纳,  最近看到翻译为德.热纳,  还有人翻译成热纳)明确提出来的.  他在1991 年获得诺贝尔物理奖之后, 所做诺贝尔讲座的题目就是”Soft Matter”,  这个讲 座的内容后来发表在1992年的”科学”(Science 256 (5056), 495-497 (1992)) 和”现代物理评论”上(Review of Modern Physics 64, #3, 645-648 (1992)).

软物质和软物质的研究并不是在德.热纳提出这个名词之后才有的.  实际上,   这 个名词的提出,  是这样一个非常广泛,  非常有趣的研究领域开始走向成熟的标志.

在此之前, 有关软物质的描述中用的最多的词是”复杂流体(Complex Fluids)”,  这个词目前仍然在文献中广泛使用.

众所周知,  流体是很复杂的,  学习和研究流体力学需要一定的牺牲精神和冒险精 神.  如果在已经非常复杂的流体前面加上复杂两个字,  很容易吓走很多学生.  另一方面,  软物质是个没有深浅,  而且很女性化的名词,  表面看上去有一点神秘,  但更多的是一种亲近感和探索的冲动.

给”软物质”这个词一个确切的定义并不容易,  事实上,  对于科学研究和探索的自然现象, 给以一个如”软物质是研究xxxxxxxxxx的科学”这样的定义, 对于研究 本身就是有害的. 当前, 政府和各级科学管理机构都提倡交叉学科的研究,  但是,  很多交叉学科类的研究项目却很难得到基金的资助, 与各个学科都具有这种形式 的定义不无关系. 但无论如何, 我们应该解释这个词.

粗略的讲,  软物质包括了 两个方面,  一个是她的复杂性,  另一个是她的易变性.  这两个方面又是互相联系在一起的.  物理学家喜欢简单的东西,  在很多场合,  我们能够听到”简单就是美” 这样的表述.  学生学习物理,  往往是从质点,  刚体学起的,  这都是一大类宏观物体的宏观表现的简单抽象.

然后, 学生会学到理想气体, 会学到计算一个导体球或电介质球周围的电场分布, 学到计算一个振动着的点偶极子的推迟势和辐射角分布(据说现在很多物理系的毕业生和研究生不会算这个东西,  这是有点悲哀的),  会学到解氢原子的定态薛定谔方程等等.

然后, 我们会在解出来的东西上面加一 点别的东西, 看看这点东西的效果和影响.  这样, 我们得到了很多有用的结果.  例如, 比刚体多一点, 叫做弹性力学,  是说每个构成弹性体的质点可以在其平衡 位置附近稍为活动活动; 比理想气体多一点, 叫做”实气体”, 是说每个气体分子基本上是自由的,  相互之间有一点点作用. 有时候, 一些表面上相互作用很强 的个体, 如果把他们重新组合一下, 就会得到一些差不多是理想气体的东西,  这 个东西的每一个个体叫做”元激发”或”准粒子”,  在他们的基础上,  再加上一 点点相互作用,  也就到了基本上是理想的状况. 处理这样一些问题的理论方法基 本上是一样的, 叫做微扰论或者摄动理论.

而软物质的研究对象是高分子, 胶体,  表面活化剂,  酶,  液晶这样一些对象,  对于这些物质,  我们找不到一个像理想气体的东西做为研究她们的出发点,  她们一上来就是复杂和神秘的. 对于上述的这些研究对象,  每一种又都是非常容易改变的. 很小的外界作用常常会导致非常大 的变化,  橡胶高分子液体中加入少量的硫,  就得到了看上去是固体的橡胶, 液晶 显示器中的液晶分子,  只要非常小的能量,  就可以维持分子的不断翻转. 豆浆中 加入少量的卤水, 就变成了豆腐. 这种变化, 看上去是非常大的, 如果我们不熟 悉这些现象, 不是已经习以为常, 我们看到这些小影响导致大变化的时候, 我们 大概会为她们的易变性而发疯. 这种复杂性和易变性是软物质的重要特征, 也决 定了她的长期的, 引人入胜的, 吸引人的魅力.

注:软物质的易变性指的是软物质的抵抗力比较弱, 变化通常也是非线性的, 但 系统变化的方向和大小还是可以知道的, 当然是在对她有了深入的了解之后. 软 物质的研究对象基本上都是属于化学, 化工, 生物等学科, 物理学在这个领域基 本上是个外来者, 同时, 物理学的研究基本上还处于自我满足(差点用了一个不文 明的词)的阶段, 包括De Gennes的很多工作, 对于软物质的应用所起的作用很小. 不过倒是有一些有趣的故事, 我在德国有个朋友, 原来是一个化妆品公司的RD人 员, 学化工的, 后来老是想更深入地了解化妆品,就到一位做软物质的教授那里拿 了个博士,目前做的很带劲,只是收入大减.  很多小伙子后来都跑了, 但也有少数痴情不改.

 注:Pierre-Gilles de Gennes 于2007年5月18日去世。

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【旧文重发】Hamaker常数

Hamaker常数
(原文于2003年7月10日发表在虹桥科教论坛, 略有修改)

stopit 于 July 10, 2003 04:15:12:

请物理学家科普一下:
两种材料之间的范德华力的HAMKER常数和两种材料的折光率相关,折光率越相
近,HAMKER常数越小。这个声明是对的吗,为什么呢?能不能通俗的语言科普
一下。

另外再用致远的办法点下名:离乡客,微结构,红娃,散心,outsider,reminder。。。。

多谢。

刚上班,就发现被点名了,不回大概不行.

首先,你说的是对的。

其次,这个东东,估计大部分物理学SCI工人不知道,我4年前也不知道。术有 专攻,没有办法。据说上个世纪的全能理论物理学家郎道曾经声称他知道所有 的理论物理,他也没有说知道所有的物理。不过,估计化学SCI工人知道Hamaker 的人多一点,做物理化学的,大概都知道。

再次,做一点介绍,我非常肯定,物理学工人看了我下面的介绍,一定能完全搞懂,当然过一阵可能也就全忘了。为了说Hamaker,还得从London谈起,我们 考虑两个氢原子,相距比较远,比较远的意思是说原子之间的距离比原子的尺 度(大约~1\AA~)大很多。也不能太远,比如相距1mm,那就太远了。如果把两个原子 作为一个系统来处理,那么此原子的那个质子对另一个原子的电子有作用,另 一个原子的质子对此原子的电子也有作用,电子-电子之间,质子-质子之间也 有作用。在原子之间相距比较远的条件下,这个作用可以近似为偶极-偶极相互作用,作用的强度反比于距离的三次方。显然,这个相互作用比原子内部的作用要小很多,所以可以用微扰论处理,一阶微扰为~0~,二级微扰当然和原子间距的六次方成反比,而且是负的。换句话说,两个原子相距比较远时,有一个与 其距离六次方成反比的等效吸引相互作用。这个作用叫做London相互作用,大 概是那个叫做London的人先算出来的。

其实,从上面的说明可以看出,这个一般结论对任意两个原子都是成立的。不 同的原子,相互作用的系数是不一样的,这个系数正比于两个原子的极化率的 乘积。(这里插一句,如果考虑了真空涨落,这里的6次方会变成7次方)。  Debye把它做了推广,得到一个有固有偶极矩的分子和一个原子的相互作用也是这个样子。Keesom进一步指出,两个能够自由转动的,具有固有偶极矩的分子之间也有一个这种形式的相互作用。(我不知道真空涨落对Debye和Keesom相互作用的修正,不知有没有人算过?)。London,Debye,Keesom三个相互作用合起 来叫做范德瓦尔斯相互作用,不过和范德瓦尔斯没有什么关系,这么叫的原因是这些相互作用提供了范德瓦尔斯方程中的那个吸引力修正因子。

有了这个准备,我们就可以考虑Hamaker力了。我们还是考虑最简单的模型, 两个小球,放在真空中,计算他们之间的相互作用。把每个小球切成小块,每 个小球中的每个小块都和另一个小球中的每一个小块有范德瓦尔斯相互作用, 把这些相互作用加起来,就得到了两个小球之间的相互作用。当然,这个加法 不大好做,可能是Hamaker最早做出了这个加法吧(?没有考证过),结果是

 U(r)=-\frac{A}{6} \left( \frac{2 a^2}{r^2-(2a)^2}+\frac{2 a^2}{r^2}+\log\frac{r^2-(2a)^2}{r^2} \right)

这里~a~是小球的半径,~r\,是两个小球球心之间的距离,~A\,就是那个Hamaker 常数,和小球的介电常数有关(根子在于范德瓦尔斯力的强度系数与分子的极化 率有关)。当两个小球非常接近时,相互作用反比于两球面之间的距离;当两个 小球相距很远时,相互作用反比于球心间距的6次方(如果不是这样,那加法一 定算错了)。由于这个相互作用,小颗粒放在一起,会互相吸引,悬浮在水中的 小颗粒,当碰到一起时,就会粘在一起,越来越大,大到热扰动不起作用的时 候,就会沉淀。

通常水中悬浮的小颗粒都带电,静电相互作用使他们远离,所以不会沉淀,当 河水流到河口时,海水中大量的离子屏蔽了悬浮颗粒之间的静电相互作用,范 德瓦尔斯相互作用于是大显神通,造成河口的淤积。

唉,越说越远了,还是回到正题。水中的两个小球当然比真空中的两个小球来 得复杂,其它形状,或形状可变时,更加复杂,不过原则是一样的。正因为有这许多复杂,才需要我等物理学,化学工人去劳作。我们也就能做做这些事情, 不敢奢望解决更大的问题,更别说统一宇宙了。

 

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【旧文重发】也谈计算问题

“我的青铜时代”–也谈计算问题
(原文于2003年5月5日发表在虹桥科教论坛, 略有修改)

说说我自己的计算史吧,我是从打纸带,打卡片开始计算的,资格够老了吧,可是一直不 长进。直到现在,没有花钱买过软件。

82年老板买了一台PC,8086,64K 内存,两个320K的五寸软驱。带DOS1.0和 CPM/86两个操作系统。DOS自带一个BASIC解释器。兄弟几个排队算题,机器24 小时不间断工作,后来加了个8087,内存加到128K,改用FORTRAN,速度快了 很多。后来粗略统计了一下,这台机器上总共算出了大约50来篇SCI,可惜那 个时候不统计这个。

86年老板买了一台286,这时候弟兄不多,其他几个师弟妹喜欢推公式,所以就可以独用了,最得意之作是用DOS2.0下面的Debug用汇编写了一个算辛普松 积分的程序,用Fortran调用,比用Fortran直接写的快了不少,原来算一天的, 只要10来个小时就可以了。可惜存这个程序的软盘发霉了,那程序也找不回来 了,一想起来就心痛,那可是差不多2个月的心血啊。

再后来,就是486,奔腾什么的,MS也不用了,改用Linux了,Fortran不用了, 改用C了(有点与时俱进吧! 其实是逼得,那时候的Linux下就有gcc,没有g77, 没有办法),不算积分了,做模拟了。

现在吗,买了十几台PC,联到一起,按照最高效率的并行算法用串行程序算题, 也偶尔调试一下并行程序,调试好了,送到其他系的SGI上算,学校有规定, 不论那个学院买的大型机,都要向全校开放。免费算题,不需要维护机器,有问题还可以问,服务不好还可以发飙,够美的了。

很多年前也做过一点”从头计算”的东西,是在CRAY上做的,程序的大部分也是问别人讨的。前几年做了一个很得意的东西,用了一个很小的技巧,把一个问 题的计算时间减小到原来的千分之一,可惜的是,文章发了,没人引,方法也没有人用,这个估计就是属于没有意义的问题吧,哈哈。

我是属于小打小闹的一类,我有几个朋友,是大手笔,他们自己买SGI,买创腾 的软件,这边算,那边做实验,然后发Science,Nature 什么的。我个人觉得 都可以啊。大手笔做大事,有成就感; 小打小闹玩自己喜欢玩而且别人没有玩 过的,味道也不错。

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