文|創瞰巴黎

導讀

“軟物質”一詞，來自于1991年發表的諾貝爾物理學獲獎演講。軟物質的研究關注特殊條件下的液體，由于其研究對象種類廣，軟物質學的范疇難以界定。

一覽：

• “軟物質”一詞，來自于法國物理學家Pierre-Gilles de Gennes（皮埃爾-吉勒·德熱納）1991年發表的諾貝爾物理學獲獎演講。
• 軟物質研究關注特殊條件下的液體——包括成分復雜的液體，以及成分簡單但狀態復雜的液體。
• 軟物質學的主要研究對象是由至少兩種物質組成的異質復合物，同時具有固態和流體態的特點。
• 剃胡膏、沙子等日常物質都可以作為軟物質學的研究對象。
• 由于研究對象種類廣，軟物質學的范疇難以界定，該學科課題的共同點在于研究手段而非對象。

坐在雨中行駛的車輛里，常能看到雨珠掛在車窗上，緩緩流下，仿佛黏在玻璃上一般，這是為什么呢？平時流動性極強的液態水，附著在玻璃上難道進入了另一種形態？答案可不簡單[1]！

再者，為什么附著在豎直玻璃面上的雨珠，流速居然比平地上的河流還要慢？看似平凡的現象，背后是科學家們仍在努力探索的一個奇妙領域：軟物質學。

01 軟物質學的誕生

根據巴黎綜合理工大學流體動力學實驗室（LadHyX）研究員Christophe Josserand介紹，軟物質研究始于20世紀初，當時研究對象主要是液晶和多聚物——兩種典型的介于固態和液態間的物質。不過，“軟物質”這一名詞直到1991年才被正式提出。那年，法國物理學家Pierre-Gilles de Gennes（皮埃爾-吉勒·德熱納）在諾貝爾物理學獎頒獎儀式上發表了題為《軟物質》[2]的演講。

“1991年，法國物理學家Pierre-Gilles de Gennes（皮埃爾-吉勒·德熱納）在諾貝爾物理學獎頒獎儀式上發表了題為《軟物質》的演講。“

德熱納是軟物質學界的領軍人物。LadHyX研究員David Quéré在法蘭西公學院就讀期間師從德熱納，并與德熱納共同著有《液滴、氣泡、液珠和波浪》一書[3]，被Josserand譽為“諾獎得主傳承者”。而Quéré則稱德熱納為“世界一流的重量級學者”。

Quéré指出：“德熱納發表諾獎演說之日，軟物質這一定義模糊的領域終于獲得了正式學科的地位。”德熱納將曾經互不相關的一系列問題都統一到了這門學科之下。這些問題的共性是涉及特殊條件下的液體——包括成分復雜的液體，以及成分簡單但狀態復雜的液體。德熱納的演講和學術成就，讓軟物質研究這一與日常生活密切相關、充滿著諸多未知與奧秘的領域得到了更廣泛的認可。

02 生活中的軟物質

軟物質物理學的主要研究對象是由至少兩種物質組成的異質復合物，同時具有固態和流體態的特點。Quéré舉了一個例子——沙。“沙在不同情況下形態不同。沙地下陷時，體現其流體態，形成沙坡時卻體現其固態。”但是，固體沙礫和周圍的流體（空氣）有著明確的固-氣界面，毫無疑問地構成了雙相介質，沙礫間的相互作用力遵循最簡單的物理規律，大量沙礫聚集在一起卻呈現出似固似液的特性，十分耐人尋味。

軟物質有時被稱為“模糊態物質”甚至“智慧態物質”，身邊的例子有很多：蛋黃醬、泡沫、泥巴、混凝土…都是生活中常見且用途廣泛的軟物質。Quéré解釋道：“剃須膏的主要成分是水和氣體。這兩種物質混合前流動性都很強，混合后卻變成類似固態的物質，可以捧在手上，涂抹在臉上，接觸皮膚后又變成半固態，說來是不是很神奇？”

Josserand補充道：“打發蛋白時，打蛋器將空氣與蛋白結合，形成液體、脂肪、表面活性劑構成的異質混合物，呈泡沫狀。放進烤箱烤一會兒，就會變成固態的蛋白酥。生活中有不少像這樣既奇妙又極具實際意義的軟物質問題。”

03 軟物質學和石油開采

軟物質研究有著重大實際意義。現代軟物質研究可追溯到1973年，第一次石油危機爆發之際。石油開采一般只能抽取井里儲備量的50%，埃克森石油公司（埃索石油的母公司）當時便立志要想辦法將剩余的50%利用起來。如今世界經濟不景氣，美國油氣業更是不舍得將大半珍貴的石油儲備量留在地下。

Quéré指出：“剩余油抽取是一個典型的軟物質問題。一方面，剩余油本身是黏性油，狀態復雜。另一方面，其抽取涉及將表面活性劑水溶液注入油層驅替，在充滿孔隙的巖石內形成乳狀液。各種物理化學、流體力學作用在狹小空間相遇，極大提高了分析難度，只有通過基礎研究，才有望總結出其機理，并催生出一系列激動人心的新領域。”

04 軟物質學的跨學科性

由于研究對象種類廣，軟物質學的范疇難以界定，該學科的課題共同點在于研究手段，而非對象。Josserand說：“軟物質學囊括物理、生物、應用數學、化學等多個傳統學科，與其相輔相成，內涵豐富。LadHyX的工作很好地體現了軟物質研究的跨學科交互性。我們的研究員來自非線性物理、流體力學領域，在做生物力學項目時還會與更多其他學科合作。軟物質學界真可謂是‘海納百川’。”

Quéré也表達了類似的觀點：“軟物質處于多個學科的交界處，其定義和范疇有一定的模糊性，所以我們常在幾個學科之間‘打轉轉’。不過，軟物質研究者有一套獨特的研究方式，在基礎科學和應用科學間游刃有余地穿梭，開展重要的科研工作，將復雜的現象‘化繁為簡’。”

參考資料

1. David Quéré, Qu’est-ce qu’une goutte d’eau ?, Le Pommier, 2003

2. Pierre-Gilles de Gennes, Soft Matter – Nobel Lecture, December 9, 1991

3. Pierre-Gilles de Gennes, Fran oise Brochard-Wyart et David Quéré, Gouttes, bulles, perles et ondes, Belin, coll. échelles , 2002