软物质概念和高由分子浓厚体系的分子模型.docVIP

高分子凝聚态物理及其进展 PAGE PAGE 47 软物质概念和高分子浓厚体系的分子模型 （Soft matter and the molecular model of concentrated polymer systems） §2-1 软物质概念和高分子材料的软物质特征 按现代凝聚态物理学的概念，高分子材料被称为“软物质”（soft matter）或“复杂流体”（complex fluids）。“软物质”的概念是法国科学家de Gennes在诺贝尔奖颁奖典礼上发表讲演时提出的。 de Gennes在研究高分子浓厚体系的非线性粘弹性理论方面作出突出贡献，提出大分子链的蛇行蠕动模型，合理处理了“缠结”（entanglement）对高分子浓厚体系粘弹性的影响。de Gennes指出，在人们熟知的固体和液体之间，世界上还存在着一大类介于两者之间的“软物质”，对人类日常生活有巨大影响。 从字面上理解，软物质是指触摸起来感觉柔软的那类凝聚态物质。严格些讲，软物质是指相对于弱的外界影响，比如施加给物质瞬间的或微弱的刺激，都能作出相当显著响应和变化的那类凝聚态物质。高分子材料，包括高分子溶液和熔体属于典型的软物质。de Gennes以天然橡胶树汁为例，在树汁分子中，只要平均每200个碳原子中有一个与硫发生反应（硫化），就会使流动的橡胶树汁变成固态的橡胶，使材料表现出奇异的高弹性。这种如此小的结构变化而引起体系性质的巨大变异，揭示了高分子这类物质因弱外部作用而发生明显状态变化的软物质特性。高分子溶液和熔体的奇异流变性能（剪切变稀，结构粘性）也是这种软物质特性的表现，流动中的高分子溶液和熔体会因微弱的外力变化而改变其流动或变形状态，也会因微弱的结构变化而表现出完全不同的流变性质。 由于“软物质”以新的凝聚态物理概念深刻揭示了高分子材料与其他凝聚态物质的差别，帮助我们从一个全新角度深刻体会高分子材料的特性和内涵，因此可以说，从这个观点出发，我们对高分子材料奇特的结构与性能关系的研究将上升到一个新的层次和高度。 粗略地讲，高分子材料作为软物质和（或）复杂流体的主要特点可归纳为： 由于特有的柔性分子链结构，巨大分子量和复杂的拓扑形态，高分子材料的宏观性能与微观结构联系异常紧密，有时结构上的微小变化往往导致宏观性能的巨变（状态的改变）。 高分子材料的特点之一是其物理力学性能不完全取决于化学结构。化学结构确定的高分子可以由于不同的聚集状态（凝聚态结构）而显示出不同性质。高分子材料因其结构的特殊性具有比通常物质更加丰富多彩的聚集状态，且状态间的变化规律也与通常物质不同（大分子链的构象熵和分子链间的相互作用焓有着复杂的交互作用）。 高分子材料另一个突出的结构特征是分子链在分子水平（严格地说是在链段尺度）上的缠结。这种特殊的分子链相互作用形式是导致材料粘性、强度、弹性等发生巨变的内在根源。缠结的影响可以用de Gennes的分子链蠕动模型进行描述。 高分子材料属于非线性粘弹性物体，高分子粘弹性对其形态（凝聚态）的形成及其动力学有着复杂的影响。其结构层次的多重性、微观运动单元的多重性、松弛运动形式的多重性决定了高分子材料具有广阔的松弛时间谱，可跨越十几个数量级。并且（尤其高分子熔体）在很小的应变下就会出现强烈的非线性行为，表现出独特的形态选择特征。 掌握高分子材料的这些软物质特性，可以帮助我们更深刻理解高分子材料结构与性能间的关系，指导人们通过改变材料的结构（化学改性）和形态（物理改性）开发高性能和功能化高分子材料。现代凝聚态物理学家及高分子材料科学家之所以对高分子软物质的形态及形态生成感兴趣，主要原因在于人们希望通过对体系形态的控制来获得性能更为优越的新型材料。目前人们越来越多地关注高分子材料加工成型方法的改进，是因为人们认识到高分子制品的性能优劣与加工工艺，甚至加工设备关系十分密切。不同加工条件和工艺可以明显地改变高分子材料的凝聚态结构，直接影响着制品性能。 理论上，关于高分子体系形态结构特点的研究也十分诱人。这一方面由于高分子的分子量很大、粘度高，其形态的空间特征尺寸大，这些特点不仅为对体系的实时跟踪观测提供了方便，而且更易于对形态形成的初期动力学行为、表面浸润和界面影响进行研究。另一方面，由于高分子特有的长链结构，柔性高分子链具有无规线团的分子形状，热力学行为特殊，因此在统计热力学框架内的理论处理尚有许多极富有挑战性的研究课题。高分子具有分子量可调，拓扑结构、共混组分和共聚构型容易改变等优点，故高分子体系也常常用来对一些理论进行验证。高分子体系的形态生成本身也有许多富有挑战性的问题，如组分间的粘弹性反差、模量反差和链的刚柔性反差对形态生成及其动力学的影响等。 §2-2 高分子浓厚体系的性质 稀溶液和浓厚体系的特征分界浓度 图1-2中给出