物质的形态

 一、导言
我们生活在一个丰富多彩的物质世界中,对物质现象的理解是物理学的根本目的。传统的物质状态指的是气体、液体和固体三种状态,因为人类,当然包括所有的生命,发生的基本前提是水的存在,水的三态早为人类所熟悉。大致说来,传统的固液气三态是依据物质中分子(对一些物质来说是原子)之间空间关系的不同来划分的。固体中的分子之间有固定的空间关系,固体有维持其体积和形状的能力;液体中的分子有一定的短程序,液体有固定的体积,却不能保持其形状; 气体分子间作用力很弱,气体总是充满空间。换个角度思考,传统物质可以根据其中组成单元之间的特征距离x_ij同距离的变化δ_ij 之间的比较来定义。对于气体, 不管分子间距多大,分子的活动空间由限制它的容器的尺寸L 决定,δ_ij≡L;对于固体,则有δ_ij～0,这也是研究固体的力学性质时可以当作弹性体处理的原因。物质第四态等离子体,虽然在自然界中大量存在,如太阳的一些部分、闪电引起的气体放电等,但人们并不知道。人类最早认识到的等离子体是在实验室人工实现的。其实,物质的形态远比这所谓的四态要复杂,宇宙形成初期的物质状态：一些星体内部的物质,烟、雾、泡沫与泥沙等胶体物质,反物质与暗物质等,都无法纳入固液气加等离子体式的物质状态划分,更不用说生命这种能够自修复、自复制的神奇物质体系。本文拟就物质的形态作一个尽可能全面的,因而难免是浮光掠影式的介绍,希望能带给读者关于物质形态的一个粗略轮廓,激发起读者研究物质形态的兴趣。物质世界比我们能想象的要复杂得多,有趣得多,认识物质的形态和形态间的转变为物理学的研究和学习提供了一个非常自然的角度。     

软物质的物理实验在普通高校教学中的推广

软物质物理学的蓬勃发展已使其成为一个特色学科, 因而有必要在普通高校的物理教学中开设有关 软物质物理方面的课程. 有鉴于此, 近5年来我们尝试在普通物理实验教学中开设了一些具有代表性的软物质物理 实验, 以期将软物质物理学逐渐融入到相应的理论和实验教学中, 拓展学生的视野. 首先对比了国际和国内的软物 质物理实验室的建设情况, 然后介绍了一些与传统物理学结合紧密的典型软物质物理实验. 在此基础上, 阐述了在 普通高校物理实验中引入软物质物理实验的必要性及意义, 旨在使大学生在物理方面的多元化的训练, 从而全面 提升综合素质, 强化软物质物理的研究队伍     

颗粒物质中的奇异现象

通过分析颗粒物质中一些有别于气体、液体和固体的奇异现象,结合生活和生产中的实际例子进一步认识颗粒物质的一些基本特性、规律、有待解决的问题及研究意义.     

软物质物理学及其创始人德热纳

介绍了诺贝尔物理学奖获得者德热纳教授在获博士学位后的50年科学生涯中的学术思想、方法、成就;阐述了他开创软物质物理学的丰功伟绩;从而使我们对软物质物理学研究的内容、现状及意义有所了解与认识.     

测量物质密度的两种特殊方法

测量物质密度的常规方法有:一是对规则固体而言,用测长工具测体积,用天平称质量,再根据密度的定义求得;二是对不规则的固体用流体静力法进行测量,流体静力法对液体的密度测量同样适用;三是用比重瓶法测液体和固体的密度.而根据液体内部压强特点利用U型连通器或W型连通器测液体的密度和根据浮力的原理利用悬浮法测固体的密度的方法则不多见,而这种构思新颖、设计巧妙的方法能解决一些特殊物质的密度的测量.下面详细介绍这两种测密度的方法.     

专题:软物质研究进展

正编者按在物理学研究的早期历史上,很多享誉世界的大科学家,如爱因斯坦、朗缪尔、弗洛里等,都对软物质物理的发展做出过开创性贡献.自de Gennes 1991年正式提出"软物质"概念以来,软物质物理学发展更为迅猛,不仅极大地丰富了物理学的研究对象,还对物理学基础研究,尤其是与复杂体系、非平衡现象(如生命现象)密切相关的物理学提出了重大挑战.作为物理学与数学、化学、生物学、工程等学科的重要交叉点,软物质物理的研究无疑对推动多学科的交集协同发展有着极其重要     

专题:软物质研究进展

正编者按在物理学研究的早期历史上,很多享誉世界的大科学家如爱因斯坦、朗缪尔、弗洛里等,都对软物质物理的发展做出过开创性贡献.自de Gennes 1991年正式提出"软物质"概念以来,软物质物理学发展更为迅猛,不仅极大地丰富了物理学的研究对象,还对物理学基础研究,尤其是与复杂体系、非平衡现象(如生命现象)密切相关的物理学提出了重大挑战.作为物理学与数学、化学、生物学、工程等学科的重要交叉点,软物质物理的研究无疑对推动多学科的交集协同发展有着极其重要的作用.     

软物质和分数阶导数建模

相对于一般的硬物质(如金属、半导体，陶瓷等)，软物质是介于理想固体和流体之间的复杂状态物质(又称复杂流体，软凝聚态物质)，如生命物质、聚合物、液晶、土壤、胶体、薄膜、颗粒物质、多孔岩层、石油等。软物质的物理性质主要由其介观(介于宏观和微观之间)尺度的大分子或基团的结构和性质决定，现有的物理和力学理论还不能很好地解释其运动规律和行为。本研究主要包括3个方面的内容：(1)以研究软物质的宏观力学行为为研究对象的软物质力学(唯象)；(2)描述软物质的介观量子力学理论；(3)软物质介观尺度的时空结构。另一方面，统称分数阶时间导数、LeVy稳态分布、分数布朗运动、Hurst指数、I/f能谱、分形等数学方法为分数阶数学。     

生机勃勃的凝聚态物理

 通常,物质具有固态、液态、气态和等离子态四种形态。而凝聚态是指固体、液体,以及介于固体和液体之间(如液晶、聚合物、分子膜、凝胶等)形态的总称。凝聚态物理则是研究凝聚态物质的结构和组成粒子(如原子、分子、离子、电子)之间相互作用与运动的规律并从而阐明其性能和用途的科学。它涉及金属、半导体、超导体、磁性物质、晶体、电介质等等,是物理学中门类繁多、内容丰富、发展迅速、应用广泛的一个分支学科,已成为当今物理学异常活跃的领域。     

颗粒物质(上)

颗粒物质是地球上存在最多、最为人们所熟悉的物质类型之一．大量颗粒组成的离散态物质体系具有特别的性质和运动规律．颗粒物质表现出许多不同于固、液、气物质的奇特现象和独特的运动规律．由于对颗粒物质运动规律的理解具有重要科学意义和应用背景，近十年来颗粒物质研究逐步成为物理学研究中的一个活跃领域．文章综述了颗粒物质的一些主要特性，如颗粒物质的静态性质、振动行为、流动特性等，其中也包括文章作者的一些新近研究结果．限于篇幅，文章分为上、下两部分发表．第一部分在对颗粒物质作一般介绍后讨论颗粒物质的静态特性，第二部分则主要讨论颗粒物质振动时的行为和流动性质．     

软凝聚态物质物理学

软物质是指其某种物理性质在小的外力作用下能产生很大变化的凝聚态物,典型的例子包括液晶、高分子体系、胶体、微乳液等。软物质的结构和性质主要不是由内能,而是由熵来决定,较通俗地介绍了软物质的概念,仔细分析了熵在软物质中所起的作用,同时详细介绍了聚合物体系、胶体及生物膜等几种典型的软物质,通过硫化橡胶和无管虹吸等十分有趣的例子。说明了聚合物对流变性质的影响;通过分析硬球胶体的相变及相分离等行为说明了熵力的概念;仔细分仔了电稳定胶体的相互作用,并介绍了DLVO理论以及近年来发现的对这一理论的偏离,特别是约束条件下同号带电胶球的长程吸引相互作用及其对此现象的一些解释;对生物膜也作了初步介绍。人们对软物质的研究和理解目前还处于一个非常原始的阶段,深入研究和理解软物质的各种性质必将促进人类对自然和人类自身的认识。     

热力学过程及物质结构对熵的影响

将宏观过程分解为多个微观过程，可以从多层面的微观角度理解宏观性质。如一般热力学过程的可逆与不可逆性的分解、导致软物质中分子发生凝聚的平移熵、描述非晶过冷及液体中相变区域分子关联运动的构型熵等。反之，利用热力学过程间的耦合原理，通过对微观过程的分解与综合，引入与分子运动相关的动态熵，可以合理地解释各种材料所表现出的不同特性，为制备新材料提供理论依据。     

中国科学院物理研究所软物质与生命物质物理重点实验室

软物质与生命物质研究是典型的学科交叉,其内容跨越物理、化学和生物三大学科,是物质科学通向生命科学的桥梁,是21世纪凝聚态物理研究的前沿。为促进交叉学科发展,中科院物理研究所结合已有基础和综合优势,于2001年4月率先在国内成市软物质物理实验室,由王鹏业研究员和陆坤权研究员分别担任实验室主任和学术委员会主任。     

耗散粒子动力学模拟方法在软物质体系研究中的一些进展与应用

软物质是指处于固体和理想流体之间的复杂态物质,主要包括聚合物、表面活性剂、液晶、胶体悬浮液、以及生物大分子等。软物质能够对外界微小的作用产生强烈的非线性响应,并展现出丰富的有序自组装相态。作为一种新颖的模拟技术,耗散粒子动力学方法非常适合在介观尺度上对软物质体系的复杂行为进行合理的描述。本文对耗散粒子动力学模拟方法的发展及一些应用进行了系统评述。耗散粒子动力学模拟方法体现了分子动力学与格子Boltzmann模型的优点,通过与其它理论模型（如Flory-Huggins理论、Smoothed particle hydrodynamics模型等）相结合,该方法能够在介观尺度上有效地研究聚合物熔体和溶液体系、生物膜及囊泡体系以及胶体悬浮液等体系的行为。这些研究结果,对新材料的研发、特殊材料的制备、以及材料加工条件的选择具有十分重要的科学意义和实际应用价值。     

凝聚态物理学简介

一、什么是凝聚态物理学 固体和液体是由原子、分子集聚起来,具有很强内聚力的有一定体积的物体,这类物体称为凝聚态物质.凝聚态物理学就是研究凝聚态物质的物理性质、微观结构、微观运动状态及其相互关系的学科. 从历史上来说,凝聚态物理学是由固体物理学发展而来的.近年来,固体物理学的研究领域有了很大的扩展,研究对象由内部原子(或分子)呈周期排列的晶态固体发展到内部原子(或分子)没有规则排列的非晶态固体;又发展到结构与非晶态固体相似的液体;还有在一些方向上不规则,但在另一些方向上有某种规则排列的液态晶体(简称液晶);在极低温下…     

生机勃勃的凝聚态物理

通常,物质具有固态、液态、气态和等离子态四种形态。而凝聚态是指固体、液体,以及介于固体和液体之间(如液晶、聚合物、分子膜、凝胶等)形态的总称。凝聚态物理则是研究凝聚态物质的结构和组成粒子(如原子、分子、离子、电子)之间相互作用与运动的规律并从而阐明其性能和用途的科学。它涉及金属、半导体、超导体、磁性物质、晶体、电介质等等,是物理学中门类繁多、内容丰富、发展迅速、应用广泛的一个分支学科,已成为当今物理学异常活跃的领域。     

中国科学院物理研究所软物质与生物物理重点实验室

软物质与生命物质研究是典型的学科交叉,其内容跨越物理、化学和生物三大学科,是物质科学通向生命科学的桥梁,是21世纪凝聚态物理研究的前沿:为促进交叉学科发展,中科院物理研究所结合已有基础和综合优势,于2001年4月率先在国内成立软物质物理实验室,由王鹏业研究员和陆坤权研究员分别担任实验室主任和学术委员会主任。又于2009年12月由中科院组     

软物质物理——物理学的新学科

文章简要综述了目前正迅速兴起的软物质物理研究的发展趋向,就软物质物理的内容、兴起的原因、软物质物理的重要性和面临的基本问题作了一定的分析和说明,并对我国发展软物质物理研究提出若干建议.     

软物质研讨会简讯

由中国科学院物理研究所主办的“软物质研讨会”于 2 0 0 0年 6月 19— 2 8日在北京举行 .这次研讨会得到国家科技部、中国科学院、国家自然科学基金委员会、中国物理学会、中国科学院物质科学基地等部门的支持 .国内外 80余人 (包括美国、法国、英国、及我国台湾和香港地区 14人 )参加了研讨会 .中国科学院白春礼副院长、科技部邵立勤副司长、中国物理学会杨国桢院士等负责同志参加了会议部分活动 .软物质 (或称凝聚态软物质 )是指处于固体和理想流体之间的物质 ,包括液晶、聚合物、胶体、乳液、膜、泡沫、颗粒物质、生命体系物质等 ,它们…     

软物质的自组织

软物质的基本特征使得软物质在各种互作用竞争 ,外力和熵驱动下显示出丰富的自组织现象。本文系统地评述了典型软物质系统各种丰富的自组织现象 ,试图从丰富的自组织现象中寻找共同规律和竞争机理 ,来揭示和探索自组装 /自组织有序微结构形成的物理机制和动力学引起的新生长规律 ,并讨论如何来控制和设计自组装 /自组织有序结构。这对新材料的制备、新结构的实现具有十分重要的科学意义和实际应用价值。