如何看待軟物質物理這門學科？其科研和應用前景如何？

01-08

因為soft matter是mesoscopic level意義下的object，是coarse-graining後的一種effective theory，是emergent phenomena的locus，因此這種中間尺度下的物理本身就充滿了challenging，我對高分子物理了解的稍微多一些，所以簡單說說我的想法。事實上，1991年諾貝爾獎授予de gennes (soft matter一詞的提出者) 的原因正是"...從小分子中發展出來的物理同樣可以總在更複雜的分子體系中，比如聚合物..."。其實在當時，英國劍橋同樣有一個理論小組，以S.F.Edwards和M.Doi為首，將路徑積分與高分子構象建立起聯繫，隨後大量量子場論方法進入到高分子科學中，完全改變了這一領域的面貌，使得軟物質物理可以躋身於現代物理學陣營。然而諾獎恰恰僅授予de gennes一人，正是表彰其在研究複雜體系中所發展出來的簡單觀念，具體可以參看de gennes的論文集《Simple Views on Condensed Matter》，可以看到臨界現象理論與高分子鏈構象統計，超導現象與液晶物理等等之間的緊密聯繫，這種類比，我認為，比發展一個新的理論，在某種意義下還要重要。

軟物質（高分子）一個很重要的特點在於multiscale（多尺度），而在傳統問題中，往往是單一尺度的問題，比如說，想知道為什麼地球上的水滴的直徑差不多都在幾個毫米左右，從來沒見過跟籃球那麼大的水珠？原因很簡單，因為這是兩種force之間的balance，是重力和表面張力的抗衡給你一個特徵尺度。所以這類問題通常是簡單的，只要知道了特徵尺度，問題就容易得到解決。但是在高分子問題中，由於是multiple-scale（至於為什麼會在polymer體系中存在多尺度，其實很容易想像，至少存在chemical bond的尺度，高分子鏈自身的尺度——稱為radius of gyration，還有中間尺度，比如說semidilute solution中的mesh size或者是bulk下的entanglement length，等等），所以對於高分子問題的分析就困難的多，當然你還是可以沿用這種不同force之間balance的這種精神，來確定特徵尺度，這在polymer physics中有一個特別的名字，稱為blob scaling theory，這歸功於de gennes，des Cloizeaux，Pincus等人的開創性的工作，在blob尺寸以上及以下，polymer遵循不同的statistics的規律，因此blob可以看成是某種elementary excitation，這種「元激發」的概念可以讓特徵尺寸的分析變得非常容易。

由於多尺度所帶來的另一個效應，就是polymer的dynamics可以非常慢，慢到有可能在實驗上直接探測。實際上這種例子在膠體科學中更普遍，比如你可以在顯微鏡下直接看到colloid particle的motion，或者你引入特別的相互作用，來看不同force之間導致的dynamics或者是equilibrium有什麼不同，Harvard的David Weitz在這方面有許多很好的工作。回到polymer system，我只想舉一個例子，來證明這種slowing down 的 dynamics的作用。在體系相變時可以用Cahn-Hilliard theory來描述（具體context自行wiki），但是這在傳統的簡單液體（例如金屬）中十分難以檢驗，因為需要嚴格的控溫，但是直到應用到高分子，才得到了相當好的檢驗，原因就在於polymer的動力學非常慢，以至於我可以quench在某個特定的態，從而研究體系的演化（另外一個原因在於mean-field effect）。

所以說在soft matter physics中有許多有趣的問題，比如biophysics基本上就是polymer system，只不過不是人工合成的，而是天然的大分子，比如DNA,RNA等等，另外大分子帶來的直接的長鏈拓撲結構的改變（會導致entanglement，另外環形高分子等），玻璃化以及非平衡態在soft matter中的體現（比如如果採用colloid system，可以直接看到jamming phenomenon）等等，在科學上有許多問題需要去解決，在實際中，我想，由於高分子所特有的良好的特點，比如質量輕（現在波音最新的787飛機機翼，完全是一塊高分子複合材料，有很好的抗衝擊性，並且非常省油），易加工（在二維電子器件設計、封裝）等等優點，以後會用的越來越多，所以無論從科研上，還是應用上，我想都是有很多問題值得去做。

touchhappy

師兄和學校里給配的學業導師是做軟物質的，也在老師的組裡待了一年的時間（也就是每周日晚上開開組會什麼的），對軟物質也有了一些了解。

個人感覺（不一定對）德熱納提出軟物質這個概念之後就把軟物質做的基本差不多了,雖然現在還有很多東西值得去開發，但大體都跑不出德熱納的框架。

（我不是做軟物質的，以上內容只是拋磚）。

Soft matter（軟物質）最初由Pierre-Gilles de Gennes在1991年他的Nobel Lecture里提出的概念。本質上軟物質屬於凝聚態物理的一個子範疇，主要研究的是那些結構可以隨著熱漲落（或相同尺度的外界微擾）發生改變的體系。簡而言之就是那些熵效應比較重要的體系，這和傳統的硬凝聚態完全不一樣，軟物質物理研究的是介觀體系，忽略量子效應，採用統計物理的研究手段。

軟物質涉及的領域很廣，是個非常交叉的學科，包括複雜流體、膠體、高分子、彈性材料、生物物理等。主要研究包括兩個方向，一個是用軟物質體系作為模型體系來研究統計物理里的基本問題，比如相變和非平衡態物理，另一個是應用的方向，利用軟物質物理的基本原理設計新材料，比如柔性電極等。軟物質物理研究的主流在歐洲，基礎理論和實用研究都很多，工業界也對其投資很大，比如聯合利華就一直在和大學合作研究凝膠問題，試圖設計出新的膠體體系（比如空心液體或平衡態凝膠體系）延長蛋黃醬的保質期：）。

美國的軟物質研究主要是做應用偏多（在美國軟物質叫軟材料），除了少數幾個大學的研究組（比如賓大、哈佛、紐約大學等）以外，大部分軟物質研究集中在軟材料。

軟物質物理在中國還是個很新的研究方向，以往集中在高分子物理、生物物理和電流變液等，近些年由於一些年輕物理學家的回國，軟物質在中國的研究逐漸發展起來了。

相對那些傳統的物理領域，這個領域並不成熟，所以有很多可以挖掘的東西。但是另一方面，正是由於這種不成熟，入行門檻較低，導致這個領域水很深。

恕我直言，兩年多的膠體物理實驗做下來，臨到畢業，真心是雞飛蛋打。