凝聚态物理在高分子领域中的应用及其进展.pdfVIP

凝聚态物理在高分子领域中的应用及其进展

一、高分子凝聚态物理基本概念

自从二十世纪二十年代H.Staudinger提出“大分子（macromolecule）”的概

念以来，高分子科学取得了突飞猛进的发展。在高分子科学中，高分子凝聚态物

理学始终是其最重要的组成部分之一。所谓凝聚态，是指由大量原子或分子以某

种方式（结合力）聚集在一起，能够在自然界相对稳定存在的物质形态。高分子

凝聚态物理学即是以现代凝聚态物理学中的新概念、新理论、新实验方法与高分

子材料和高分子科学的特点相结合，用以说明、理解高分子材料复杂的结构、形

态、分子运动、各种特殊的聚集状态及其相态转变，以及这种结构、相态特点与

大分子聚合物作为材料使用时所体现出的特殊性能、功能间的关系。

近年来，高分子凝聚态物理学又出现新的发展高峰。随着现代凝聚态物理学

的发展，大量新观点、新思想、新的研究方法纷纷被引用到高分子物理学的研究

中，成为高分子科学新的研究前沿。比较有代表性的研究成果有：大分子单链凝

聚态和单链单晶；软物质概念及高分子材料的软物质特征；大分子蛇行蠕动模型

及对分子链缠结现象的说明；聚合物相变中的亚稳态现象和临界现象；分子间相

互作用力及超分子组装和自组装；逾渗模型及其在高分子科学中的应用等，每一

领域都包含丰富的研究内容，揭示出许多新的有趣的现象和规律。

法国科学家P.G.DeGennes是现代高分子凝聚态物理研究的集大成者。他所

著作的“高分子物理学中的标度概念”以极其简明的语言和普适的幂函数规律深

刻揭示了大分子特有的运动形式和规律，成为当今高分子物理学的经典名著。他

在其诺贝尔奖获奖典礼上以“软物质（softmatter）”为题总结了现代高分子凝聚

态物理的研究成果和研究前沿。

从字面理解，“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，

都能做出相当显著响应和变化的一类凝聚态物质。从结构看，软物质在其柔软的

外观下存在着复杂的相对有序的结构，其结构常常介于固体与液体之间。一方面

从宏观尺度看，它没有像晶体那样的周期性结构，在原子分子尺度上的结构可能

1

是完全无序的；另一方面在介观尺度下，它又存在一些规则的受约束结构，由此

决定着其独特的“软物质”性质。简单液体不会是软物质，而高分子材料、液晶

材料及生物有机材料等都具有典型的软物质特性。比如高分子材料常常因其结构

的细小变化而引起体系宏观性质的巨大变异（如硫化、结晶、熔体剪切变稀等）。

从这个观点出发，高分子凝聚态物理的研究上升到一个新的高度。

普通物质在标准条件下存在固（晶）、液、气三态。在特殊条件下（超高温、

超高压、超真空等）还能以等离子态、中子态等形式存在。这些相态在一定外部

条件下能相互转变，凝聚态物理学就是研究物质的相态及其相态之间的转变规律

的科学。高分子材料因其结构的特殊性具有比通常物质丰富多彩的存在状态：除

有结晶态（不同的晶型）、粘流态外（高分子材料没有气态），还有玻璃态、高弹

态、共聚、共混态、取向态、液晶态等。这些状态下的分子运动及相互转变规律

均与小分子物质不同，因此高分子凝聚态物理有其独特的研究兴趣和研究方法。

比如一般地说，对小分子物质，单个分子或少数几个分子聚集在一起不足以

构成一个相态。然而单个大分子能否成态？是否存在单分子链凝聚态和单分子链

晶体？到底多少个大分子聚集在一起才能称作一个“相态”？才能体现相的特征？

单个分子反映出来的性质（稀溶液）应该与大量分子凝聚态的性质（浓厚体系）

不同，如何不同？又比如高分子材料的特点之一是其物理力学性能不完全取决于

它们的化学结构。化学结构一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。这不同的凝聚态又大多是由于不同的加工成型方法而造成的，

因此高分子凝聚态物理实际上与高分子材料工程密切相关。

必威体育精装版的研究进一步表明，即使是化学结构和聚集态结构已定的高分子材料还

可以由于它们处在各种不同的激发态而显示出全新的性能来。如高分子材料的非

线性光学性能，掺杂使高分子变成半导体、导电体等。高分子材料科学越来越依

赖于众多的固体物理和凝聚态物理的基本知识。

二、现代高分子凝聚态物理的基本观点

按现代凝聚态物理的观点，聚合物体系属于软物质（softmatter）或复杂流

体（complexfluids），它具有许多不同于