軟物質是包括聚合物、膠體、表面活性劑和液晶的一類物質，在我們日常生活和現代技術中不可替代。
﹀
﹀
﹀
凝膠和乳霜是我們日常經常使用的軟物質
塑料、紡織品和橡膠廣泛應用於住宅、汽車以及其他工業產品
液晶被用於顯示器件
集成芯片製造過程中使用了光響應的聚合物材料
甚至人體自身都是由軟物質組成的，許多軟物質材料被用於醫學治療
聚合物
聚合物是由某種化學單體組成的長的絲狀分子，單體按順序連接，見圖1 。一個聚合物分子中單體數目一般是幾千個，也可以是幾千萬個。聚合物是現代技術中不可或缺的材料，可以用作塑料、橡膠、薄膜和織物。
聚合物也是生命體的基本分子。生命的運行是通過由氨基酸組成的自然聚合物蛋白質實現的。生命的基因信息被刻錄在另一類重要的生物高分子 ——DNA 上。
圖1 (a) 單體；(b) 聚合物
在聚合物中，通過改變單體類型和它們的連接方式就可以產生一系列的材料。聚合物一般是絲狀的，見圖 2(a) ，但是可以導入如圖 2(b) 一樣的分支，聚合物鏈也可以如圖 2(c) 一樣交錯。塑料一般是由絲狀聚合物構成的 ( 圖 2(a)) 。它們可以變成液態，注塑成想要的形狀。另一方面，橡膠是由交錯的聚合物鏈組成的( 圖 2(c)) ，由於交錯連接，橡膠不能流動。在外力作用下它們改變形狀，但是撤走外力時它們會恢復成原來的形狀。分叉聚合物 ( 圖 2(b)) 是中間態，像是可以流動的橡膠材料。黏性膠帶所用的黏性劑是由分支聚合物組成的，介於液態和橡膠態之間。
膠體
膠體是微小的固體顆粒或者分散於另一種液體中的液滴。膠體顆粒的特徵直徑介於 1nm 和 1µm 之間，遠大於原子尺度。
日常生活中可見到膠體。牛奶是一種膠體溶液，是直徑為 0.1µm 分散於水中的營養顆粒 ( 由脂肪和蛋白質組成 ) 。
由固體顆粒組成的膠體懸液是液體，在低顆粒密度下可以流動，在高顆粒密度下變成固體狀並停止流動。例如，水彩在水中溶解成液體，幹後成固體。這種液態叫做溶膠，固態叫做凝膠 ( 圖 3) 。
不用改變顆粒濃度就可以誘發溶膠到凝膠的相變。通過添加適當的化學試劑到膠體溶液，改變膠體顆粒間的相互作用，從而導致溶膠到凝膠的轉變。例如，當添加醋到牛奶時，牛奶變得很黏而失去流動性。這是由於添加醋後牛奶顆粒因相互作用變成吸引力而導致團聚引起的。
膠體的固化通常因顆粒的隨機團聚而發生，見圖3(b) 。如果將顆粒製備成相同大小和形狀，團聚可以變成規整結構，很像原子晶體，見圖3(c) 。這樣的膠體晶體和原子晶體的 X 射線衍射一樣會顯示很強的光衍射。由於膠體晶體的晶格常數在 0.5µm 量級，所以通過散射衍射顯現出彩虹色。
很多種膠體顆粒具有一系列的形狀 ( 球狀、棒狀或者蝶狀 ) 和表面性質，應用於日常生活和工業生產。
作為典型的例子，油和水是敵對的一對。通常材料被分為親水或者親油。溶於油的材料通常不溶於水，也就是親油材料通常是疏水的，反過來也一樣。表面活性劑是一種特殊類別的所謂兩親性材料，同時溶於水和油。表面活性劑分子由兩部分組成：親水部分和疏水部分 ( 圖 4(a)) 。表面活性劑分子可以溶解於水，形成圖4(b) 所示的結構，親水部分暴露在水中，把疏水部分包裹起來。這種分子集團叫做膠束。另一方面，表面活性分子可以通過暴露疏水端於油中、藏匿親水端於反膠束內側而溶於油中 ( 圖 4(c)) 。
根據表面活性劑的不同，膠束可以取不同的形狀，包括球形、圓柱形、層狀( 圖 5) 。球形膠束一般包含幾十個分子，但柱狀和層狀膠束可以大得多，達到百萬分子或者數十億分子的量級。雖然膠束的大小和形狀主要由表面活性劑分子的結構所決定，但它們會依賴於環境、溶劑類型、温度和表面活性劑濃度等而發生變化。
圖 5 由表面活性劑形成的各種膠束結構： (a) 球形； (b) 圓柱形； (c) 層狀
表面活性劑應用在日常生活中的肥皂和洗滌劑中。由於其雙親分子特性，表面活性劑分子傾向存在於油和水之間。因此，如果添加一種表面活性劑到油和水的混合物中，表面活性劑分子傾向於在油和水的界面之間聚集組裝。為了容下這些雙親分子，界面面積會增加，相應的油會被表面活性劑包裹成小液滴，分散於水中。這是洗滌劑的基本工作原理 ( 圖 6) 。表面活性劑的術語來自：激活表面活性的藥劑的縮寫。
圖 6 由於表面活性劑的功效，油滴在水中的分散
表面活性劑在分散技術中的作用很重要。這是一種利用表面活性劑在一般條件下從不穩定混合物如油和水或者無機顆粒和水中分離出看似均勻材料的技術。標準方法是通過表面活性劑，把材料 “ 打碎” 成細顆粒 ( 粒子或者液滴 ) 。表面活性劑包裹了被分散的材料表面，避免它們聚集。這項技術在很多應用 ( 如化妝品和食物 )中很重要，也可以創造新的功能材料。
液晶
凝聚態物質一般分為兩種：分子有序排列的晶態和分子無序排列的液態。對一些特定的材料，分子會形成一種介於晶體和液體中間的半有序態，這種材料叫液晶。
例如，考慮由棒狀分子組成的一種材料。在晶態下，分子被均勻地放置在晶格位置並完全對齊，如圖 7(a) 所示。在這種態下，存在完全的位置序和指向序。在液態下，分子位置和指向都是隨機的 ( 圖 7(d)) 。在液晶態中，分子的序介於這兩者之間。
圖 7(b)顯示了液晶的一類 —— 向列型液晶。這裏分子保持了指向序，卻沒有位置序。向列型液晶是一種擁有空間各向異性的液體：當容器傾斜時會流動，而這種流體是各向異性的，會顯示雙折射。圖7(c) 顯示另一類液晶 —— 近晶相液晶。這裏，除了有指向序外，還有一種部分位置序：分子規則地沿某一特定方向擺放 ( 圖 7(c) 的 z 軸 ) ，然而它們在 xy 平面內的位置是隨機的。
向列型液晶由於其光學特性容易通過電場控制，被廣泛用於顯示器件。液晶光學特性的變化也可以用在傳感器上。高強度纖維 ( 用於防彈夾克 ) 是由液晶聚合物製成的，因為液晶中聚合物鏈具有很強的指向序。
軟物質的共性是什麼？
正如我們所看到的，軟物質是一大類材料 。一個自然的問題是：這些材料的共性是什麼？為何在軟物質的框架下討論？
上述材料的共性是它們都由比原子大得多的結構單元構成。聚合物分子一般包含幾百萬個原子，直徑為 0.1µm 的膠體顆粒內含幾十億個原子。構成表面活性劑和液晶的分子不是非常大 ( 僅包含幾萬個原子 ) ，但是它們能形成有序結構，並且以一個大的單元一起移動：表面活性劑分子形成膠束，以一個整體移動，液晶分子以一個整體轉動。
軟物質由整體移動的大分子或分子集團構成的事實給予了軟物質兩個性質。
01
大的非線性響應
軟物質對弱作用力具有大響應。由成千上萬個原子組成的聚合物分子很容易變形，這給予了橡膠和凝膠柔軟性。膠體顆粒形成了很軟的固體，應用於化妝品和油漆。正像我們所看到的，液晶的光學性質很容易因電場而改變。這樣大的響應不能由力和響應的線性關係來刻畫。例如，橡膠可以被拉長成初始長度的百分之幾百，它們的力學響應不能由應力和應變之間的線性關係來描述。軟物質中非線性響應非常重要。
02
緩慢非平衡響應
軟物質的集體行為減緩了它們的動力學。簡單流體的響應時間是納秒量級，然而在聚合物和膠體溶液響應時間可以增長几十億倍，所以非平衡態的性質或者非平衡態動力學在軟物質中的作用很重要。
軟物質不屬於傳統意義上的流體和固體。
例如，泡泡糖，一種聚合物組成的軟物質，可以像流體一樣被無限拉伸延展，但是當快速拉伸和鬆弛時，它具有橡膠的行為；凝膠是一種包含大量液體的軟固體；液晶是一種類似晶體具有光學各向異性的液體。這些性質在軟物質的應用中具有重要意義。玻璃瓶是通過吹一種聚合物液體 ( 像泡泡糖 ) 製成的，凝膠廣泛應用於許多工業過程中，液晶則應用於光學器件中。
《軟物質物理》旨在從物理的角度介紹這類重要材料。軟物質的性質很複雜但是可以用物理的方法理解，這是本書的目的。
軟物質有一個共同的特徵就是它包含諸如大分子、膠體顆粒、分子集團或者有序分子。我們需要討論的軟物質大小是 0.01 ∼ 100µm 。這比原子分子尺度要大得多，但是仍然比宏觀力學尺度要小。這個尺度上的物理目前在其他科學和工程領域引起了相當大的興趣。我確信軟物質是學習物理中的關聯、相變、漲落、非平衡態動力學等議題的很好出發點，因為軟物質是一種我們每天都能看到並接觸的材料。
ISBN 978-7-5088-5895-1
責任編輯：錢俊