软物质

　　文明的发展、历史的断代，通常以人类掌握的技术工具之材料来刻画，如远古的石器时代、商周的青铜器时代、铁器时代。这些都反映出人类最初学会使用的是硬物质。同样地，二十世纪的物理学家一开始也是致力于研究硬物质，像金属、半导体和陶瓷。掌握这些材料，使大规模集成电路技术成为可能，并开创了信息时代。

　　二十世纪末即将迈进下一个千禧年的今天，人们自然要问，什么材料代表着新世纪的特征？什么是物理学的最新研究方向？

迎接新世纪的新举措

新杂志与新栏目聚焦软物质

　　为回应上述问题，物理学界已有不小的举动。九十年代后期，世界上著名的物理学期刊都竞相做出反应。美国的《物理评论》（Physical Review）新辟一个E分册专门刊登液晶、高分子聚合物、胶体等被称为“复杂流体”（complex fluid）的研究论文。该分册原定为每月出版一期，但很快便膨胀为每月出版两期，篇幅仅次于该刊专登凝聚态物理论文的B分册。

　　1998年1月起，有百年历史的欧洲两大物理学期刊--法国的《物理学期刊》（Journal Periodique de Physique）与德国的《物理学期刊》（Zeitschrift Fur Physik）合并，定名为《欧洲物理学期刊》（The Euroean Physical journal）。该期刊的B分册专登凝聚态物理的论文，除传统的固体凝聚态外，其中有一个全新的栏目--软凝聚态物质（soft condensed matter）特别醒目。这个栏目所辖学科依次为液晶、聚合物、双亲分子、生物膜、胶体、浸润与附着以及颗粒介质。此外，其他一些有名的物理学期刊也专辟新栏，接纳软物质。

“软物质”与诺贝尔奖得主--热纳

　　发明“软物质”一词以代替美国人所称呼的“复杂流体”，推动这门跨物理、化学和生物学三大学科的交叉学科发展，并使凝聚态物理学向新世纪转型的第一人，就是1991年诺贝尔物理奖得主--热纳（Pierre－Gilles de Gennes）。

　　为了吸引学界对这门新兴的交叉学科的注意，热纳近年来以软物质为核心，写了几本冠有“软”字的小册子，如《软界面--1994年狄拉克纪念讲座》、《固、特、异的软物质》等。热纳之所以对软物质情有独钟，与他的研究生涯与成就有关。热纳1932年生于巴黎，1957年获博士学位。最初，他的研究兴趣也是集中在硬物质方面，曾在法国萨克雷原子能委员会、美国加州大学伯克利分校从事中子散射与磁性物质的研究，后来在法国欧塞国家科学研究中心建立了著名的超导研究组。1968年起，他转而研究软物质，开始了液晶、聚合物物理、浸润动力学、附着机制的化学物理研究，并成为这些领域的开创者。

　　与固体相比，这类物质缺少硬的结构，所以称之为软物质。但是，“软”并不是这类物质的主要特征。热纳对液晶与高分子聚合物以及胶体的研究显示，这些软物质因微弱的外力作用而改变状态的现象，与固体金属的超导相变极为相似。这使他渐渐对相变、序参数等概念有深刻的认识，并因此奠定了用统一的方法处理复杂系统的基础--这也是瑞典皇家科学院1991年在诺贝尔物理奖公告中特别肯定的。公告赞扬他证明了自然界从简单系统（如超导体）到复杂系统（如液晶、聚合物）都存在统一的相变规律。

　　热纳征服软物质的成就体现了：物理学与其他学科交叉的创新性研究，不仅仅在于直接利用物理学的新技术、新方法去研究其他学科的难题，更在于运用物理学认识自然规律的统一、优美以及定量化的思路去解决看来是分散的、复杂的以及长期被局限于定性描述的其他学科的难题。这也说明物理学与生物学的交叉研究不等同于现在的生物物理研究。

新的交叉学科研究中心的建立

　　二十一世纪被认为是生命科学的世纪，从物质划代角度来看，这也是软物质的世纪。如果没有软物质，生命也不复存在。任何生物结构（包括DNA、蛋白质和生物膜）都是建筑在软物质的基础上，因此，在向生命科学冲刺的新世纪来临之际，学科交叉（这是由软物质研究决定的）正在成为科学研究的热点。为组织攻关力量，美国一些著名大学正在建立物理学、化学与生物学交叉的研究所与研究中心。

　　1999年初，英国《自然》周刊（Nature）和美国《科学》周刊（Science）对此都作了专题报道。据报道，哈佛大学计划5年内投资1．5亿至2亿美元，用于建立新的科学项目，这些项目特别强调学科的交叉。其理学院院长强调说：“这些新研究项目将跨越系与系的界线，并促进科研与教学向交叉学科方向发展。”据Science的详细报道，计划建设的5个新交叉学科研究中心有两个已通过论证并开始筹建，它们是基因信息学与蛋白质信息学研究中心和成象与介观结构研究中心。前者的研究队伍将来自生物学、化学、统计科学、计算机科学以及工程设计等专业。而后一个中心，也叫纳米技术中心，是由物理学、化学和工程技术专业人员组成，主要研究纳米结构成象、介观电子学、微机械，光纤通讯、生物材料和药物设计。其首席专家之一是热纳在其诺贝尔演讲中提到的专门研究软物质的理论物理学家纳尔逊（D．Nelson）。

　　笔者曾在1993年春天访问过纳尔逊的研究室，参加他主持的1992－1993年度的洛布（M．Loeb）物理讲座。被邀请来做讲座的是早先在法国研究生物膜的物理学家莱布勒（S. Leibler）（当时他已完全转到普林斯顿大学生物系工作）。该讲座分三讲，分别是“生物膜--起伏表面的自组织”，“分子马达与随机机械以及微管的规律性”和“自装配--细胞循环与分裂”。在物理系举办生物专业味道如此浓厚的讲座，足以证明哈佛大学从九十年代初期就对物理学与生物学的交叉领域非常重视。

　　那次讲座距今不到10年。纳尔逊终于迎来了其盼望已久的物理学与生物学交叉学科研究中心的建立。这个中心的宗旨是，从事生物材料到纳米结构材料技术的研究，证明软物质不但是生命本身重要的基石，在人类未来科技发展中也扮演重要角色。

软物质为什么能概括生物凝聚态。

软物质：弱力强变化，

　　把软物质作为物理学与生物学交叉领域的基本概念，是与软物质的基本定义联系在一起的。在日常生活中，人们随时都可触及具体的软物质，如橡胶、肥皂泡、胶水、洗洁精、油和水等。但在科学上对它们的统一刻画，实际上蕴含着科学家经过几百年艰苦研究才逐渐了解和深刻认识。

　　热纳在《固、特、异的软物质》一书中以橡胶为例，给软物质下了六个很深刻的定义。他指出，2500年前，亚马逊河流域的印第安土著就懂得用橡胶汁涂在脚上做靴子，但这种靴子只能穿一天--由于空气氧化，纯天然的橡胶很快就破碎了。直到1839年，美国人固特异发明了橡胶硫化处理技术，才使橡胶成为坚固耐用的材料。橡胶也就成了第一个实现工业化生产的聚合物。空气中的氧使橡胶长链分子断裂，而与氧同族的硫元素仅仅比氧的化学活性略差一点，却使长链分子结合得更好，这就是软物质的奇异特性：弱力引起强变化。

　　热纳进一步指出，天然橡胶的每200个碳原子中，只有1个原子与硫发生反应。尽管化学作用如此微弱，却足以使物质的物理性质发生从液态到固态的巨大变化，胶汁变成橡胶。这证明了有些物质会因微弱的作用而改变状态，就如雕塑家以拇指轻压就能改变粘土的外形使之成为一件高贵的艺术品一样。这也正是软物质的基本定义。

　　千百年来，人们就知道。一点骨胶可以让墨汁维持多年的稳定，一点卤汁可以使豆浆变成豆腐。日常生活中，几滴洗洁精会产生一大堆泡沫，一颗钮扣电池可以驱动液晶手表工作几年……这些例子都展现了软物质的神奇本质：只要提供相对微弱的作用力，它们就可以发生改变--从形状到性质的改变。生物系统的神奇之处也体现在这里：人们的肉眼能够感受到几千光年之遥的星系发出的光；一条嗅觉灵敏的狗，可以根据脚印中残留的气味跟踪某个人，并且在闹市中把这个人的踪迹跟其他人区别开来。生物系统展示着软物质的本质。

液晶、双亲分子和生物膜

　　软物质所体现的弱作用强变化的特性，与其组成的分子有关。用作液晶显示器工作介质的丝状相（曾译作向列相）液晶分子，是一类长形有机分子，它由一个硬性中间部分与两个分别处于端部的柔性碳氢链组成。如果某种分子全由中间硬性部分组成，就无法成为液晶，因为这种物质在常温下将会形成十分坚固的固态晶体，而不会成为液体。因此，液晶分子两端的弹性长链是克服分子范德瓦耳斯吸引．力必不可少的缓冲器。用热纳的话说，这是万中选一的分子。分子的中间硬性部分使液晶体现晶体的各向异性。如光的各向导性、介电的各向导性。把软硬截然不同的部分融入一个分子之中，是软物质具有对弱力作用产生强烈变化物理原因。

　　把这种分子按螺旋方式排列在几微米厚的玻璃盒中，然后用几伏的低电压就可以控制和改变盒内液晶分子的排列（当然也改变其光学性质），这就是“扭曲丝状相液晶显示器”的基本工作原理。这种显示器消耗的能量微乎其微，这是软物质对当前信息时代的巨大贡献。如果没有这种极为节能的显示屏，手将电话、笔记本电脑、移动式电脑终端以及车载卫星定位器便不可能存在。信息时代是硬物质（硅半导体）与软物质（液晶）巧妙结合的时代。热纳把提出扭曲液晶显示原理的德国物理学：家黑尔弗里希（W．Helfrich）称为“当代伟大的科学家”。

　　热纳在其诺贝尔获奖演说中就表扬过黑尔弗里希，在那里不是指黑氏在液晶显示方面的贡献，而是指其对生物膜、红细胞形状研究所作的贡献。液晶的奇妙，得益于其分子融有软硬截然不同的性质。组成生物膜的脂质分子与组成洗洁精、肥皂的界面活性剂分子也体现着物质的组成分子之特征--很灵巧地在两个极端物理性质之间“游走”。

　　这类分子是“性格分裂”的，它的一端是羧基，具有强烈的亲水性，称之为极性端。极性端以外是流水的脂肪链结构，通常由10～20个碳氢基团组成，流水意味着亲油，因此这类分子统称为双亲分子。当双亲分子溶于水中，借助“双亲性质”，它们可以形成浮在水面的单层膜：亲水端快乐地浸在水里，疏水的脂肪链则把自己晾在水面上的空气中，就如同南极浮冰上的企鹅。在水中，双亲分子则形成双层膜：疏水脂肪链很乐意和有同样倾向的伙伴靠在一起，躲在中间；而极性端则向外形成亲水界面，舒适地泡在水中。双层膜和水分子层平行交错垒在一起就形成肥皂泡。双层膜弯曲起来，可以形成一个池。人体细胞正是以这种方式围成的，所以脂双层膜是生物膜的大致结构。当然实际的细胞膜还穿插有蛋白质和糖分子。

红细胞的双凹碟形

　　作为液晶显示物理学家，黑尔弗里希同时在研究生物膜，尤其是红细胞的形状方面有重大贡献。这体现着物理学与生物学交叉的创新点不仅仅是研究生物系统的物理现象，而是用物理学的方法去解决生物学面临的重大挑战与长期解决不了的难题。这样的难题在红细胞身上就有好几个，如它们为什么呈现规则的双凹碟形状？在血液里它们为什么不粘连在一起？

　　对第一个问题，自然主义的功能学派认为，双凹碟形（而不是球形）保证红细胞有很强的形变能力，穿入比其半径小很多的毛细血管以到达血液循环系统。黑尔弗里希则不满足于这种“需要则存任”的功能说，他把脂双层膜与弯曲的液晶层联系在一起，于1973年提出生物膜的弹性自由能概念，并于1976年用数字电子计算机证明，双凹碟形是使生物膜弹性自由能达到最小的一种状态。这个问题也给笔者提供过机遇，1987年，笔者与黑尔弗里希从生物膜弹性自由能导出过一个相当复杂的曲面方程，1993年笔者与日本合作者从这个方程出发，发现一个由对数与正弦函数构成的解析解，其形状正是红细胞的双凹碟形状。

　　第二个问题涉及生物学中一项极为重要的课题--细胞间的接触问题。黑尔弗里希研究一堆平行生物膜的热涨落，从玻尔兹曼能量均分定理证明膜与膜之间存在着与距离3次方成反比的热斥力。正是这种涨落引起的斥力，抵消了膜与膜之间的范德瓦尔斯吸引力（也是与距离3次方成反比），这才使细胞不会粘连在一起，保证了生命系统的有序性。

　　红细胞形状的发现已有200年历史，到了近20年才出现一个完整的解释，这还是靠“软物质”才获得的。黑尔弗里希红血球理论也是到了九十年代才被美国的分子生物学教科书载入。这还算是幸运的，由于传统的隔阂，生物学家对于物理学家用数学描述生物系统常持怀疑态度，因此历史记载了许多令人沮丧的事例。许多热情的物理学家解决了一些生物学问题，但却发现生物学家对此十分漠然。这种阻碍学科交叉的障碍如此严重，不得不令对生物学热心的物理学家开辟自己的学科交叉领域与发表相关论文的园地，这也是上面提到的开设新物理杂志的新专栏的原因。

　　“软物质”或“软凝聚态”是物理学家自行开发的新领域与新方向。值得庆幸的是在世纪之交，从决策者到科研教育机构都相当愿意去克服那些曾经阻碍学科交叉的障碍。

　　事实上，对生物学热心的，不仅仅是物理学家与化学家，数学家对由生物膜形状方程提出的数学问题已开始表现出极大的兴趣，在中国科学院应用数学所、香港中文大学数学系与北京大学数学系，已有青年研究人员从事这类问题的研究。软物质的确也为数学家开创了一片新天地。

单分子物理学和单分子生物学

　　自生物膜构型从九十年代进入抽象的数学研究以来，在这个领域开展研究的物理学家开始把眼睛盯向分子生物学的更深层次--生物大分子的研究，这也是DNA与蛋白质被纳入软物质或软凝聚态研究范围的原因。

　　这两种分子最简单的物理模型，是把它们看成柔性弹性高分子聚合物。四十年代，化学家曾把高分子链的曲率平方作为聚合物链的弹性自由能，提出所谓的虫链模型。自从五十年代DNA双螺旋结构被发现后，为说明DNA扭结拓扑结构，数学家怀特为闭合带的环绕与扭结拓扑结构提出的计算公式，便被当成拉格朗日乘子加到虫键模型的弹性自由能上，构成DNA的弹性自由能。这个模型在分析DNA的实验，特别是其拓扑结构发生变化的实验，得到深刻的应用。

　　1971年，Ⅰ型和Ⅱ型拓扑酶的发现是这个模型的成功范例。但这个模型只在“粗粒化”（即拓扑结构）上描述生物大分子DNA的结构。到八十年代后期，基于光的力学效应和激光冷却技术，发明了光镊技术，人们可以对单个DNA分子施以皮牛顿（10-2牛）级的力作用。因此，在近几年，Nature和Science刊登出许多论文，报道单个DNA分子在光镊拉力作用下的非线性弹性拉伸应变实验结果。这为研究单个DNA分子构型提供了实验基础，从而逐渐成为一门软物质凝聚态物理中的新学科--单分子生物学或单分子物理学。

　　生物大分子的自由能是由ｋＢＴ来表征，这里ｋＢ是玻尔兹曼常数，Ｔ是温度（一般是室温）。生物大分子的空间构型的尺度是在纳米量级，这就容易理解对生物大分子的作用力必须是皮牛顿级的。单分子生物学与单细胞力学也可以称为皮牛顿力学，这也是从事激光冷却的诺贝尔物理学奖获得者朱棣文被吸引到单分子生物学的实验研究中的原因。

　　有了这些实验研究作基础，研究软物质凝聚态的理论物理学家，正在紧锣密鼓地展开比虫链模型更深入的生物大分子理论模型的研究。中国科学院理论物理研究所一部分研究生与博士后也不失时机地加入这个国际竞争，在Physical Review等刊物上发表一系列关于DNA分子模型的研究论文。他们最近发表在1999年5月31日出版的《物理评论决报》（Physical Review Letters）上的关于DNA非线性弹性应变的论文，给出了几乎与近年发表在Science等杂志的实验曲线都符合得很好的理论曲线！

　　除DNA外，蛋白质折叠也是当前单分子生物物理学最热门的课题之一。理论生物物理学家把组成蛋白质的20种氨基酸分为亲水和疏水两部分，把它们无数种随机构型挑出来，使亲水部分尽量暴露在结构的表面（以利于与水接触），把疏水部分尽量藏于结构内部，这就获得了蛋白质折叠的物理途径--用蒙特卡罗方法确定给定氨基酸序列的蛋白质折叠结构。在这方面的研究中，美国洛克菲勒大学物理与生物交叉研究中心的中国青年留学生李浩教授，做出很优秀的开创性工作，被海峡两岸的理论生物物理工作者所重视。

　　生命系统的天然生物材料，为适应各种功能和环境而构成了复杂的多样性。其复杂性是传统的天然材料如金属、陶瓷等无法比拟的。经过生物化学几十年的研究，现在已发现，其错综复杂的结构是由几种基本化合物构成的。这几种化合物就是水、组成DNA和RNA的核耷酸（4种）、组成蛋白质的氨基酸（20种）、糖和生物矿物（如骨头）等。

　　生物材料的复杂性，主要表现在这几种基本化合物自组装方式的多样性。研究它们的分级和自组装结构的机理，是软物质科学的中心任务，也是物理与生命科学交叉、凝聚态物理向新世纪发展转型的重要方向。中国理论物理学界已开始重视这个发展趋势，由原来研究非线性科学的一部分人率先转到这个尚待开发的处女地，开拓了一些新领域，取得了一定的成果。有的研究方向，如基因信息学的研究，则已深入到与生物学界同一方向的研究密不可分的境界，这是相当可喜的。但从基金与人员的投入来看，中国仍与国际水平有相当大的差距，这值得广大物理工作者深思。