德热纳(Pierre-Gilles de Gennes,1932.10.24-2007.5.18)是法国著名物理学家,在合金超导、液晶和高分子等物理和化学领域里有重大贡献。“因为发现从简单系统的有序现象中发展起来的研究方法能够推广至更复杂形态的物质(特别是液晶和聚合物)”而获得1991年的诺贝尔物理学奖。
下文是德热纳在1991年12月做的诺奖报告。
现在可以见到两个英文版(略有差异)和三个中译稿(差别略大一些)。有人认为,这次报告正式宣告了“软物质”这个领域的诞生(尽管相关的研究已经有大概一百年了)。今天是德热纳教授逝世15周年的日子,我根据这五个版本重新翻译了一遍,希望这个新的中译稿更适合阅读。参考文献采用Rev. Mod. Phys.的格式,人物的中文译名大多沿用《诺贝尔奖讲演全集·物理卷IV》,注释部分大多沿用吴大诚教授的贡献。
什么是软物质?美国人喜欢说“复杂流体”,虽然这个名字不好听,还会让学生们望而生畏,但确实说明了软物质的两个主要特征:
(1) 复杂性。我们大致可以说,现代生物学已经从研究简单模型体系(细菌)进入到研究复杂的多细胞组织(植物、无脊椎动物、脊椎动物……)。类似的,从本世纪上半叶原子物理学的迅猛发展中,诞生的一个分支就是软物质,它的基础是聚合物、表面活性剂、液晶,还有胶体粒子。
(2) 柔性。
我想用早期的聚合实验说明这个特性。它起源于亚马逊河流域的印第安人,他们收集三叶胶树的树汁,涂到脚上,让它在短时间里变干。看!他们就有了一双靴子。从微观的角度来看,起初是一堆互不相干的、可变形的高分子链,随后空气中的氧在链与链之间搭建起了氧“桥”,因此导致了惊人的变化:从液体变成了能够承受拉伸的网状结构——现在称之为橡胶。
这个实验让人吃惊的是,非常微弱的化学作用也能引起力学性质的巨大变化——这是软物质的典型特征。
当然,利用其他一些聚合物体系,我们可以建造更刚性的结构。酶就是一个重要的例子。酶有很长的氨基酸序列,折叠成紧密的球体,其中为数不多的几个氨基酸起着关键作用:它们组成了“活性位置”,执行特殊的催化作用(或识别作用)。
雅克·莫诺早就提出过一个有趣的问题:序列中的每一点都有20种氨基酸可供选择,希望组建一个受体位置,以某种严格的方式手段在空间定位其中的活性单元。我们不能简单地把这些活性单元放在一起,因为这样不能实现正确的取向和定位。因此,在两个活性单元之间需要有“间隔区”,它是一组氨基酸序列,有足够的变化能力使得间隔区两端的活性单元很好地实现相对的定位。莫诺的问题是:间隔区的最小长度是多少?
已经证明,答案是相当明确的。这个魔数大约在13~14附近。少于14个氨基酸,通常不能得到期望的结构;大于14,就会有很多种合适的序列。论证是很原始的:考虑了体积排出效应,但没有认识到稳定酶的另一个条件,那就是酶的内部应该是疏水基,而外表面应该是亲水基。
让我们回到溶液中的柔性高分子聚合物,概述它们的某些奇特的力学性质。安德鲁·凯勒和同事设计的四辊实验是很好的例子。
此处,高分子线团的稀溶液承受纯粹的纵向剪切力。恰当地选择出射轨迹,分子将长时间承受应力。结果是,如果剪切率大于某个阈值,就会突然发生转变,介质将变成双折射性的,这就是我说的“卷曲-伸展相变”。当剪切力开始让线团打开时,对于流动的控制就越强,线团就打得更开……这样就导致了突变。在这里,我们见识到软物质的另一个奇异性质——力与构型有着令人惊讶的耦合。
事实上,凯勒早就证明:当剪切率时,长链会断裂,断裂的位置非常靠近链的中点——这个结果真是引人注目。
稀线团的另一个有趣特点是能够降低湍流的损耗。现在称之为汤姆斯效应。实际上,在汤姆斯之前,卡罗尔·米塞尔斯已经发现这种现象。令我高兴的是,他今天也在场。和M·泰伯一起,我们尝试建立湍流级联中的线团的标度模型,但力学界的朋友认为这不现实——时间会判断什么是正确答案。
关于聚合物我已经谈了许多,照理应该同样谈谈胶体,我更愿意称之为“超分散物质”。但是在哥特堡的诺贝尔讨论会,我刚刚就此做过一次讲演,所以我将略去这个话题,尽管它在实践上非常重要。
现在谈谈表面活性剂——其分子有两部分:亲水的极性头和厌水的脂肪烃尾巴。本杰明·富兰克林用表面活性剂做过一个漂亮的实验。
在克拉芬公园的一个池塘里,他倾入少量的油酸——这是一种天然的表面活性剂,倾向于在水和空气的界面上形成致密的薄膜。他测量了铺满整个池塘所需的油酸体积,知道了面积,就得到了薄膜的厚度。按照现在的单位,大约是3纳米。就我所知,这是第一次测量分子的大小。今天,我们热衷于超级复杂的玩意儿,比如原子核反应堆或同步加速器,但我更喜欢向学生们讲述富兰克林这种风格的实验。
表面活性剂可以保护水的表面,也可以吹漂亮的肥皂泡,让孩子们开心。我们对于肥皂泡的理解,主要来自于一个著名的研究群体:米塞尔斯、施诺达和弗兰克尔,他们写过一本专著。不幸的是,这本书现在很难找到了,我非常希望能重印它。
很久以前,弗朗索瓦兹·布罗沙尔,让·弗朗索瓦·伦农和我对某些双分子膜体系产生了兴趣,这里有两层表面活性剂,每一层的亲水基都指向邻近的水。与此有关(虽然更复杂)的一种系统是红血球。
人们早就知道,用相衬显微镜观察,可以看到这些细胞会闪烁,有段时间曾经认为,这种闪烁反映了非平衡条件下活物质体系的不稳定性。最终发现事情很简单,不溶性双分子膜的基本特性是:在表面活性剂分子数量固定不变的情况,面积要达到最佳化。因此,能量相应于面积达到极值:表面张力等于零。这就意味着,这些瘪下去的细胞(或“小泡”)的形状可以有巨大的涨落:闪烁正是柔性物体布朗运动的一个实例。
在结束这次关于软物质的浪漫旅行之前,我要简单提一下我的合作伙伴。有些人是半路相识的,如:让·雅克,伟大的液晶发明家;卡罗尔·米塞尔斯,表面活性剂科学方面无可争议的大师。有些人和我一路同行:亨利·贝努瓦和萨姆·爱德华兹,他俩教我学聚合物的知识;雅克·德克罗依杰克斯和热拉尔·雅尼克,他们关于这个主题出版了一本非常深入的理论专著。
最后是那些关系密切的旅伴,我们一起征服陆地和海洋,他们是:菲尔·平卡斯,什劳莫·亚历山大,艾蒂安·居荣,马德莱纳·韦西埃;最后还要特别感谢弗朗索瓦兹·布罗沙尔——sans laquelle les choses ne seraient que ce qu'elles sont。
最后引用几句诗,它们来自关于软物质实验的一幅画,带有下面这首诗:
游戏海与陆,
出名真烦恼。
富贵与荣华,
都是肥皂泡。
这首诗比任何结论更适合今天的场合。