2016年9月30日

什麼是軟物質?

作者/江宏仁(東京大學物理博士,目前為臺大應力所助理教授與中央研究院物理所合聘助理研究員,研究主題為軟物質與主動材料。)

(插圖:吳宛蓁)

軟物質(softmatter)這個名詞並沒有一個很明確的定義,只是有一些種類的物質可以被分在這個分類裡,容易舉例但是不容易說明其共通的性質。目前這分類大概包括了膠體粒子(colloids)、高分子(polymer)、兩性分子(amphipilic particles)、生物分子(biological molecules)、生物膜(biological membranes)等。不同於一般固體金屬材料或陶瓷材料,需要強外力撞擊切削才能改變它們的性質,在軟物質中只要有很小的外界能量輸入,物質就會有所反應,而這就是所謂的「軟」。對外力的響應大也就表示多種可能的反應,例如手錶上電子液晶螢幕只需要電池很少量的電能,就可以維持一整年的運作。

熱擾動與軟物質
從另一個角度出發,把熱擾動的概念引進到軟物質的定義裡,用軟物質間分子交互作用能量的大小與熱擾動的相對大小來定義軟物質──凡是系統分子間作用能量大小與熱擾動差不多的,都可以稱作軟物質。熱擾動(thermal fluctuation)指的是在某個固定的溫度下,雖然分子或其他物理系統在統計上達到平衡,平均上沒有在作任何運動或變化,但觀察單顆粒子或組成單元時,會發現系統與平衡狀態有隨機的偏差漲落。例如理想氣體分子,雖然平均而言沒有任何運動,但每顆氣體分子其實都不斷地隨機在以不同速率運動。一個理想氣體分子的熱能就是3kBT/2。在軟物質的討論裡,kBT 這樣的熱擾動能量等級[ 約為10^(-20) J ]是一個很重要的指標。在軟物質裡,分子間的作用能量尺度為kBT;也就是說,不像一般在討論日常生活中的作用力時可將之省略,熱擾動本身就會對軟物質造成顯著的影響。

舉一個簡單的例子:當看到一顆靜止的乒乓球,只要沒有對其施加外力,就算有熱擾動的隨機動能,乒乓球整體由熱所引起的平移運動依然會小到如一個分子大小尺度難以察覺。但是在膠體系統裡,因為粒子的大小通常只有幾個奈米到微米的大小,熱擾動所引起的運動反而正是這類物質運動的主因,膠體粒子會因熱擾動而發生隨機運動。而這類的運動就叫做布朗運動(Brownian motion),是由植物學家布朗(Robert Brown, 1773~1858)首先發現的。
手錶螢幕的液晶分子也是如此,因為液晶分子間作用力小,所以只要稍微改變溫度,也就是改變熱擾動大小,就可以讓液晶分子排列產生改變,讓原本有序的液晶分子變成無序的排列。在應用上來看,軟物質的相關應用也正好利用分子間能量尺度與熱擾動差不多的特性,可以利用很小的外界變化來使得結構或性質發生改變。以對溫度敏感的液晶分子為例,如果把那樣的液晶放在玻璃之間,則可以利用對溫度敏感的特性,利用溫度的變化來產生透光度變化,就可以自動控制光照的強度,實現室內自動溫控的效果。

力的來源
那與熱擾動能量尺度差不多的力又是哪些呢?在介觀系統(mesoscopic systems)中,電磁力是唯一的主導力。因為不同的因素,在粒子的表面都會帶有淨電荷(net charge),這些電荷的由來可能是由於可解離的官能基、物質的吸附、或由離子晶體所構成的固體陰陽離子有不同的溶解度等。因為帶有電荷,粒子間就會交互作用,但是當膠體粒子帶有靜電荷時,在水溶液中因為有離子的屏蔽效應,在帶電膠體粒子外圍所包覆的離子層會屏蔽掉膠體粒子本身所帶電荷的電場。所以在如豆漿這樣的系統中,加入鹽可以調整蛋白質之間的作用力,會讓帶電的蛋白質結塊。另外因為電偶極(electric dipole)與極化(polarization)現象的存在。分子或膠體粒子之間極為靠近時,它們就會彼此「黏合」聚集在一起,而這樣吸引力的來源是凡得瓦力(van der Waals force),這也是生物分子間構型辨識作用主要所牽涉到的力。......【更多內容請閱讀科學月刊第562期

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