柱状流体膜的静力学和动力学性质研究（可编辑）.doc

柱状流体膜的静力学和动力学性质研究 , , , . . , ,. . ,, ?.? , , ., . , ,., . , , 。. , , .. . : Ⅱ绪论 第一章 .软物质简介 世纪的物理学开拓了对物质世界的新认识,相对论和量子力学起了支配作 用.相对论解释了质量和能量、时间和空间之间的深刻联系,量子力学理论解释了 微观世界的基本运动规律.在此基础上,研究和深入认识了“硬物质”如金属、半 导体和各种功能物质,对技术进步和社会发展产生了巨大的推动作用.然而,自 然界却存在另一些类型的物质,其运动规律和行为主要不是由量子力学和相对论 的基本原理直接导出的.软物质 或称软凝聚态物质 就是这样的领域,其自组织行为和标度对称性是由内在特殊相互作用和随 机涨落引起的. 通常地说,软物质是指处于固体和理想流体之间的复杂态物质,一般由大分 子或基团组成,如液晶、聚合物、胶体、生物膜、膜泡、颗粒物质以及生物大分子 如等生命物质,在自然界、生命体、常生活和生产中广泛存在.软物质的 基本特性是对外界微小作用的敏感和非线性响应、自组织行为、空间缩放对称性 等.这类物质与普通固体,液体和气体大不相同. 德热纳 在《软物质与硬科学》一书中以橡胶为例,给软物质下 了一个很深刻的定义.他指出,年前,亚马逊河流域的印地安土著就懂得用 橡胶树汁涂在脚上做靴子,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.直到年,美国人固特异发明了橡胶硫化技术,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比氧的化学活性略差一点,却使长 链分子结合的更好.德热纳还进一步指出,天然橡胶的每个碳原子中,只有 一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。这就是软物质的奇异特性:弱力引起强变化.这也正是软物质的基本 定义【“. 软物质的研究横跨物理、化学、生物三大科学领域,特别是软物质物理研究 的深入开展,是物理科学通向生命科学的桥梁.然而,软物质与一般硬物质的运 动变化规律有许多本质区别.对软物质的深入研究将对生命科学、化学化工、医学、药物、食品、材料、环境、工程等领域及人们日常生活有广泛的影响.软物质 物理代表了世纪凝聚态物理发展的重要趋势. ..液晶 用作液晶显示器工作介质的液晶是一种重要并常见的软物质.液晶按照分子组 织和排列宏观对称性的有序程度分为种:向列相,胆甾相 和近晶相.向列相液晶组成的分子中心象普通流体呈无序分布,但分子 的长轴对棒分子而言或盘面对盘状分子趋于平行,表现取向的长程序,这 种相的流动象普通流体,但光学、电学与磁学则表现出与晶体联系在一起的各向 异性,因此被称为三维各向异性流体.向列相有时也叫丝状相,来源于希腊字母 所示?】. 的原意.其晶体结构如图 图.:向列相液晶分子排列 软物质所体现的弱作用引起强变化的特性,与其组成的分子有关.其向列相 也叫丝状相液晶分子,是一类长形有机分子,它由一个硬性中间部分与两个分 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尔斯吸引力必不可少的缓冲器. 分子的中间硬性部分使液晶体现晶体的各向异性,如光的各向异性,介电的各向 异性等.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 生强烈变化的物理原因. ..生物膜 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具有软物质的组成分子之特征一刚柔 并济,灵巧地在两个极端物理性质之间游走. 萎曩 图.:磷脂分子 图.:磷脂双层膜 如图.所示,构成生物膜的主要成分一磷脂分子是极性有机分子,分子的 一端是羧基,具有强烈的亲水性。称之为极性端;另一端则是疏水的脂肪链结构, 通常由个碳氢链组成.疏水意味着亲油,因此此类分子统称为双亲分子, 它们具有很强的极性使得这些分子的极性端指向水或其它极性分子,而非极性蛋 白质端则尽量远离极性环境.借助“双亲性质”,在极性液体和非极性液体的分 界面上,它们可以形成浮在水面的单层膜:具有极性的亲水端呆在水中而脂肪链 烃疏水端呆在非极性液体中.在水中,双亲分子则形成双层膜如图.所示: 疏水脂肪链拒绝和水接触而与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.双层膜弯曲起来,可以形成一个泡,如图 .所示.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