软物质导论：合成和生物自组装材料.docx

为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划软物质导论：合成和生物自组装材料　　软物质的研究导论　　姓名：夏培　　学号：XX　　专业：材料学　　学院：材料科学与工程学院　　软物质的研究导论　　摘要：软物质的提出与发现，为推动二十一世纪凝聚态物质的研究提供了很大的便利文章概述了软物质的发展和作用意义，并针对软物质的三个基本特性展开陈述，对其应用进行归纳总结以国内外发展现状为契机，认识问题，展望未来　　关键词：软物质；特征与应用；发展现状　　1.引言　　软物质这一概念由法国物理学家德·热纳(deGennes)首先提出，他在1991年诺贝尔奖授奖会上以“软物质(SoftMatter)”为演讲题目[1]，他用“软物质”一词概括所有“软”的东西[2]，包括普通的流体和当时美国学者惯常称呼的“复杂流体”，从此推动了一门21世纪跨越物理、化学和生物三大学科的重要交叉学科的发展软物质又称软凝聚态物质(Softcondensedmatter)或称复杂流体(Complexfluid)，是指处于固体和理想流体之间的复杂物质，一般由大分子或基团(固、液、气)组成。

软物质在纳米到微米尺度(l~1000nm)范围内，通过相互作用可形成从简单的时空序到复杂生命体一系列的结构体和动力学系统软物质的丰富物理内涵和广泛应用背景引起越来越多物理学家的兴趣，是具挑战性和迫切性的重要研究方向，已成为凝聚态物理研究的重要前沿领域[3][4]　　我们通常对软物质的理解，直觉是指容易形变的东西德·热纳取软物质这个名词也是出于这一层通俗易懂的寓意自然界中软物质无所不在，生命体是最显而易见的一类软物质生物体的组成部分，如细胞、蛋白质、DNA等基本上都是软物质；日常生活和生产过程中软物质更是广泛存在，如橡胶、墨水、乳液及药品和化妆品，等等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影响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、空间缩放对称性它与一般硬物质(如金属、陶瓷等)的运动变化规律有许多本质区别人们对这一　　研究领域的开拓还远未达到较完善的程度，任重而道远[3][5]　　软物质的概念是从物理学视点上研究生物大分子的主要出发点之一，是连接物理学与生命科学的一条重要纽带应用现代物理学手段，理论与实验相结合，对一些重要的生物大分子及其相互作用的研究，有助于在分子水平上揭示生物大分子结构、运动与功能的关系。

物理学手段的不断发展大力促进了生命科学甚至医学研究，例如最近几年发展起来的单分子观测手段和单分子微操纵技术，已经成为了研究生物大分子的相互作用及动力学的重要方法，特别是与荧光技术的结合，使得从前一些无法直接观察到的现象得以澄清[6]软物质与人们生活密切相关，在技术和生产上有广泛应用背景，如目前正在研究的两种软物质体系：一是研究的电(磁)流变液，可以用作机电一体控制的元件或部件，如减震器、离合器、机器人等另一方面是颗粒物质，日常生活中司空见惯，可涵盖各类分离态物质，如沙石、矿物、粮食及其他散态物质等颗粒物质既类似固体，流动时又像液体、气体，但其运动规律很复杂，目前远未认识清楚因此，颗粒物质被称为一种新物质类型，成为近年活跃的研究领域[5][7]　　2.软物质的特性[5]　　基于以上对软物质概念的相关应用的阐述，我们首先分析软物质的特性，主要概括为以下几个方面：　　1.软物质的最主要一个特性是体系对外加的小作用能产生大的响应[8]物理学家热纳以橡胶为例，说明了软物质的奇异特性[5]天然的橡胶在空气中易被氧化而破碎，但其经硫化处理后却能成为坚固耐用的材料热纳指出，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，即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之一—弱力引起强变化凡是软物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德·热纳在他的《软物质和硬科学》一书中，最喜欢举的另一个例子是中国人4000多年前发明的墨汁，碳黑用水调和就可以用来写字，但是放置很久的时间后碳黑就会沉降，不能维持均匀溶解于水中，人们解决的办法是加一点胶在水中，墨汁就能稳定很多年其中的奥秘直到30年前人们因为了解了聚合物的稳定机制才认识到墨汁能维持稳定的原因，对此作出了完满的解　　释，这是因为胶中的长链分子—聚透明脂酸，附着在碳粒上，从而阻挡了碳粒的彼此接近，碳粒因此而不会凝集在一起了　　2.软物质的第二个特点是其具有类似结晶体的有序结构，这可以在生物体、细胞、液晶、聚合物、胶体和颗粒体系中找到大量的例子一般气体分子之间随机碰撞，相互之间没有相关性，液体分子之间只存在短程相关性，只有晶格结构的固体才有长程有序结构，而软物质虽有流体的特性，却能具晶体的结构，液晶就是最好的例子[5][9][10]液晶是一种特殊的有机高分子化合物，液晶具有两个可熔温度，所以液晶材料能在一定温度或浓度的溶液中，既具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性，所以其在显示屏上具有广泛的应用价值。

以自然界中无处不在的颗粒状物质为例，整体看来固态小颗粒具有流体的性质，既具备软物质的特性沙堆模型的自组织临界现象，即倾倒沙子成倒角而堆积，达到饱和，即使在增加一颗沙子也会引发全面崩塌的效应，是一个小的作用能起大的力学响应的例子；另外，风吹沙面，不会抚平沙面，而会使沙面形成有序的沙波纹图案，说明颗粒流体还具有序结构的特性，符合软物质长程有序结构特点；颗粒体系的力结构也很复杂，力顺着力链网络分布的方向传播因此颗粒物质内部受力是不均匀的，处于力链上的颗粒受到很强的力，而其旁边的颗粒受力可能很弱，甚至不受力因此，处于力链上颗粒的任何局部的或微小的位置变动都可能引起颗粒体系力分布的很大变化，造成整体的坍塌对于颗粒物质这些特性的理解，有助于我们对软物质这类开放体系的结构与动力学响应特性的认识[9]　　3.软物质的第三个特点是有复杂的力学响应特性从化学角度而言，软物质几乎等同于聚合物和胶体聚合物是由多个小分子通过聚合反应制得的，具有不同的长链状结构，可分为无机聚合物和有机聚合物了解高聚物的聚集状态对了解高聚物结构与性能关系十分重要，聚合物的聚集态结构指的是大分子链间的排列和堆砌方式，大致可分为晶态和无定形结构。

结构规整或链间次价力较强的聚合物容易结晶，如高密度聚乙烯结构不规整或链间次价力较弱的聚合物如聚氯乙烯等难以结晶，一般为无定形态，无定形聚合物在一定负荷和受力速度下，于不同温度可呈现玻璃态、高弹态和黏流态三种力学状态不同状态表现出的性能不一样，是软物质研究应用的理论基础胶体通常由两相或多相物质组成，这种混合物其中一相由微小粒子组成，这些粒子经常是聚合物分子，　　另一相可以是气相、液相或固相的连续介质分散相粒子或液滴的直径约在1纳米至1微米之间胶体的重要性质之一是它的自组装性，它的自组装来源于熵的驱动，这是软物质的一个基本特性，软物质可称作是由熵驱动的物质软物质的自组装行为即是所谓的熵力作用的结果，复杂的蛋白质分子会自行折叠成特殊的结构等，利用这些性质，我们可以制造许多有特殊性质的软材料，它们是硬材料难以取代的软物质的空间与时间尺度范围跨度极大，如图1[5]，在介观尺度范围内，通过相互作用可形成从简单的时空有序到复杂生命体一系列的结构体和动力学系统，它的对外界微小作用的敏感性、非线性响应、自组装行为等基本特性是硬物质所无可比拟的，呈现丰富的物理内涵　　图1软物质的空间与时间尺度范围　　3.软物质的应用　　软物质的运动规律与普遍固体、液体和气体大不相同，其组成和结构的多样性、相互作用的复杂性及其奇特的性质有着丰富的物理内涵，因此，软物质的提出引起人们极大的关注，成为凝聚态物理研究的重要前沿领域，同时有关软物质的应用也成为了热点之一。

根据软物质弱影响强响应的特征，目前它们已被广泛用于液晶显示器及智能材料上　　1、阐述生物材料学科和生物材料研究的特点　　答：　　由于生物医用材料是材料科学与工程的重要分支，其最大特点是学科交叉广泛，研究覆盖面广，应用潜力巨大包含医学生理学，解剖学药学，材料学生物化学，工程学，物理学，信号处理等等，并且是新兴的领域，发展迅速，高附加值　　2、根据国内外生物材料市场需求和产业化发展的现状，谈谈你对生物材料发展前景的认识　　答：XX年世界医疗器械产业由27000个医疗器械公司构成，其中90%以上为中小企业发达国家的中小企业主要从事新产品、新技术研发，通过向大公司转让技术或被大公司兼并维持生存大规模产品生产及市场运作基本上由大公司进行不同于我国医疗器械企业“多、小、散”，发达国家医疗器械产业已形成“寡头”统治的局面，全球市场也呈现类似的格局行业集中度或垄断度不断提高是生物医用材料产业发展的一个重要趋势一些重要的生物材料被国外大公司垄断，国内的生物材料的发展空间很大我国国内生物材料研究存在的主要问题有　　、产业规模小、技术装备落后、规模化生产企业尚未形成、缺乏市场竞争力　　、科技成果转化能力低，产业技术创新能力不强，产品技术结构落后，技术高端产品70%以上依靠进口　　、完整的产业链尚未形成　　、缺乏产业化接轨机制，风险投资出口狭窄，融资渠道不畅通，缺乏成果产业化及企业技术改造资金　　、管理部门缺乏协调机制，未能形成统一的一盘棋的全面规划和管理机制，重复立项，多头管理常有所见。

　　生物材料的开发和研究已逐步转向：复合型，杂化型，功能型，智能型当前国内外生　　物材料开发研究的主要趋势，是致力于提高材料的生物相容性，致力于开发生物相容性好，更能适应人体生理需要的新材料　　由于生物材料的有着很大的市场需求，并且由于生物材料的研究有着很大的发展空间，因此生物材料有着广阔的发展前景　　3、天然生物材料的特点和种类　　1)成分简单，由低原子系数的元素组成，如，H、O、C、N、Ca、P、S　　2)由几种基本化合物组成：水，氨基酸，核苷酸，糖，无机物，生物大分子有蛋白质，　　多糖，核酸　　3)结构复杂，功能多样性　　4)由生命调控合成，生物体内自组装，分级结构：通过非共价键作用在不同尺度上分　　级自组装　　5)具有生物活性和智能响应　　天然生物材料的种类：天然纤维、生物体组织、结构蛋白和生物矿物等　　4、举例说明各种结构蛋白，结构多糖的结构和性能特点　　结构蛋白有：胶原蛋白，角蛋白，弹性蛋白，整联蛋白等　　一．胶原蛋白:　　结构：胶原蛋白最普遍的结构特征是三螺旋结构其由3条a链多肽组成，每一条胶原链都是左手螺旋构型3条左手螺旋链叉相互缠绕成右手螺旋结构　　特点：　　①原大分子的螺旋结构和存在结晶区．使其具有一定的热稳定性；　　②胶原天然的紧密的纤维结构，使胶原材料显示出很强的韧性和强度　　③在热处理过程中．随着水分和油脂的蒸发和熔化．胶原几乎与肉食的收缩率一致④由于胶原分子链上含有大量的亲水基因，所以与水结合的能力很强　　二．角蛋白：　　结构：　　大纤维：上百根微纤维组成，200纳米，沿头发轴向排列　　微纤维：电缆式，直径8纳米，包埋在含硫的基体中　　原纤维：3根a螺旋线左缠绕，直径小于2纳米　　特点：弹性高，轴向拉伸率达2倍　　三．弹性蛋白　　结构：　　弹性蛋白由二种类型短肽段交替排列构成。

一种是疏水短肽赋予分子以弹性；另一种短肽为富丙氨酸及赖氨酸残基的α-螺旋，负责在相邻分子间形成交联　　特点：橡皮样弹性的纤维，能被拉长数倍，并可恢复原样　　四．整联蛋白　　结构：整联蛋白。