软物质，一种熟悉又陌生的物质状态
David Quéré
法国国家科学研究中心（CNRS）研究主任、巴黎综合理工大学教授
Christophe Josserand
巴黎综合理工大学流体动力学实验室（LadHyX）CNRS研究员、力学系教授
“软物质”一词，来自于1991年发表的诺贝尔物理学获奖演讲。软物质的研究关注特殊条件下的液体，由于其研究对象种类广，软物质学的范畴难以界定。
“软物质”一词，来自于法国物理学家Pierre-Gilles de Gennes（皮埃尔-吉勒·德热纳）1991年发表的诺贝尔物理学获奖演讲。
软物质研究关注特殊条件下的液体——包括成分复杂的液体，以及成分简单但状态复杂的液体。
软物质学的主要研究对象是由至少两种物质组成的异质复合物，同时具有固态和流体态的特点。
剃胡膏、沙子等日常物质都可以作为软物质学的研究对象。
由于研究对象种类广，软物质学的范畴难以界定，该学科课题的共同点在于研究手段而非对象。
坐在雨中行驶的车辆里，常能看到雨珠挂在车窗上，缓缓流下，仿佛黏在玻璃上一般，这是为什么呢？平时流动性极强的液态水，附着在玻璃上难道进入了另一种形态？答案可不简单[1]！
再者，为什么附着在竖直玻璃面上的雨珠，流速居然比平地上的河流还要慢？看似平凡的现象，背后是科学家们仍在努力探索的一个奇妙领域：软物质学。
01
软物质学的诞生
根据巴黎综合理工大学流体动力学实验室（LadHyX）研究员Christophe Josserand介绍，软物质研究始于20世纪初，当时研究对象主要是液晶和多聚物——两种典型的介于固态和液态间的物质。不过，“软物质”这一名词直到1991年才被正式提出。那年，法国物理学家Pierre-Gilles de Gennes（皮埃尔-吉勒·德热纳）在诺贝尔物理学奖颁奖仪式上发表了题为《软物质》[2]的演讲。
“1991年，法国物理学家Pierre-Gilles de Gennes（皮埃尔-吉勒·德热纳）在诺贝尔物理学奖颁奖仪式上发表了题为《软物质》的演讲。“
德热纳是软物质学界的领军人物。LadHyX研究员David Quéré在法兰西公学院就读期间师从德热纳，并与德热纳共同著有《液滴、气泡、液珠和波浪》一书[3]，被Josserand誉为“诺奖得主传承者”。而Quéré则称德热纳为“世界一流的重量级学者”。
Quéré指出：“德热纳发表诺奖演说之日，软物质这一定义模糊的领域终于获得了正式学科的地位。”德热纳将曾经互不相关的一系列问题都统一到了这门学科之下。这些问题的共性是涉及特殊条件下的液体——包括成分复杂的液体，以及成分简单但状态复杂的液体。德热纳的演讲和学术成就，让软物质研究这一与日常生活密切相关、充满着诸多未知与奥秘的领域得到了更广泛的认可。
02
生活中的软物质
软物质物理学的主要研究对象是由至少两种物质组成的异质复合物，同时具有固态和流体态的特点。Quéré举了一个例子——沙。“沙在不同情况下形态不同。沙地下陷时，体现其流体态，形成沙坡时却体现其固态。”但是，固体沙砾和周围的流体（空气）有着明确的固-气界面，毫无疑问地构成了双相介质，沙砾间的相互作用力遵循最简单的物理规律，大量沙砾聚集在一起却呈现出似固似液的特性，十分耐人寻味。
软物质有时被称为“模糊态物质”甚至“智慧态物质”，身边的例子有很多：蛋黄酱、泡沫、泥巴、混凝土…都是生活中常见且用途广泛的软物质。Quéré解释道：“剃须膏的主要成分是水和气体。这两种物质混合前流动性都很强，混合后却变成类似固态的物质，可以捧在手上，涂抹在脸上，接触皮肤后又变成半固态，说来是不是很神奇？”
图片来源：PI France
Josserand补充道：“打发蛋白时，打蛋器将空气与蛋白结合，形成液体、脂肪、表面活性剂构成的异质混合物，呈泡沫状。放进烤箱烤一会儿，就会变成固态的蛋白酥。生活中有不少像这样既奇妙又极具实际意义的软物质问题。”
03
软物质学和石油开采
软物质研究有着重大实际意义。现代软物质研究可追溯到1973年，第一次石油危机爆发之际。石油开采一般只能抽取井里储备量的50%，埃克森石油公司（埃索石油的母公司）当时便立志要想办法将剩余的50%利用起来。如今世界经济不景气，美国油气业更是不舍得将大半珍贵的石油储备量留在地下。
Quéré指出：“剩余油抽取是一个典型的软物质问题。一方面，剩余油本身是黏性油，状态复杂。另一方面，其抽取涉及将表面活性剂水溶液注入油层驱替，在充满孔隙的岩石内形成乳状液。各种物理化学、流体力学作用在狭小空间相遇，极大提高了分析难度，只有通过基础研究，才有望总结出其机理，并催生出一系列激动人心的新领域。”
04
软物质学的跨学科性
由于研究对象种类广，软物质学的范畴难以界定，该学科的课题共同点在于研究手段，而非对象。Josserand说：“软物质学囊括物理、生物、应用数学、化学等多个传统学科，与其相辅相成，内涵丰富。LadHyX的工作很好地体现了软物质研究的跨学科交互性。我们的研究员来自非线性物理、流体力学领域，在做生物力学项目时还会与更多其他学科合作。软物质学界真可谓是‘海纳百川’。”
Quéré也表达了类似的观点：“软物质处于多个学科的交界处，其定义和范畴有一定的模糊性，所以我们常在几个学科之间‘打转转’。不过，软物质研究者有一套独特的研究方式，在基础科学和应用科学间游刃有余地穿梭，开展重要的科研工作，将复杂的现象‘化繁为简’。”
作者
Pablo Andres
编辑
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, Françoise Brochard-Wyart et David Quéré, Gouttes, bulles, perles et ondes, Belin, coll. « Échelles », 2002
