奇妙的軟物質(zhì)世界

虞一

避免腹背受敵

如果你是位武功高強(qiáng)的俠士，在一家旅店遭到歹人的圍攻，你肯定會(huì)邊打邊向墻壁退去，直到背靠墻壁，因?yàn)閴Ρ诳梢宰屇悴挥每紤]背部被襲擊。從電影電視劇上，我們經(jīng)常可以看到這種場(chǎng)面。若是兩位俠士對(duì)付一群敵人，那么兩位俠士就會(huì)背靠背靠在一起，這樣兩人都只需要對(duì)付眼前的敵人就夠了。

我們?nèi)祟悤?huì)如此應(yīng)對(duì)這種場(chǎng)面，但在我們眼里沒有生命的小球竟然也會(huì)這么做。美國(guó)科學(xué)家曾做了一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)：他們先將一個(gè)直徑約為頭發(fā)絲直徑1/140的“大球”放到一個(gè)微型容器里。通過光學(xué)攝影的方法，可以看到大球在容器中任何一處都可以出現(xiàn)，就是說，大球在容器里會(huì)自由運(yùn)動(dòng)。然后他們把直徑只有大球直徑1/10的許多小球也放進(jìn)去，奇怪的現(xiàn)象出現(xiàn)了：大球逐漸向容器壁退卻，最后除了容器壁的周圍一圈，大球再也不到容器的其他地方游走了！這種現(xiàn)象竟然與俠士受攻擊時(shí)的抗敵過程是一樣的。

難道大球也會(huì)思考出應(yīng)對(duì)敵人攻擊的策略？顯然不是，這只是個(gè)很自然的過程：容器中的大球、小球都在不停地隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)中的小球會(huì)不停地從各個(gè)方向撞擊大球。大球在不同方向上受到的小球撞擊一般來說總有一些細(xì)微的差別，因此大球就會(huì)因受力不同而向某個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)大球碰到容器壁的時(shí)候，大球的一邊因?yàn)槿萜鞅诘淖钃醵馐苄∏虻墓?，那么另一邊的攻擊只能讓大球永遠(yuǎn)貼著容器壁。而在我們看來，大球好像是為了防止腹背受敵而躲在墻壁上了。

如果容器內(nèi)有兩個(gè)大球，那么這兩個(gè)大球還會(huì)像那兩位俠士一樣并肩作戰(zhàn)哩，而且這兩個(gè)球還會(huì)一邊并肩作戰(zhàn)一邊向容器壁退卻。若是更多的大球在同一個(gè)容器里，容器里沒有小球存在，大球會(huì)在容器里生活得自由自在，但是加入諸多小球后，大球們就會(huì)聚在一起，凝成一個(gè)緊密的團(tuán)隊(duì)。出現(xiàn)這些現(xiàn)象也是因?yàn)槭芰Σ痪?，只有大球們靠在一起，才是穩(wěn)定的狀態(tài)。

軟物質(zhì)的軟功夫

上面講的這個(gè)有趣現(xiàn)象就是在一種叫作“軟物質(zhì)”的世界里發(fā)生的?！败浳镔|(zhì)”的概念是1991年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、法國(guó)物理學(xué)家德熱納提出的。“軟物質(zhì)”，顧名思義，就是形態(tài)容易發(fā)生變化的物質(zhì)。對(duì)這種物質(zhì)施加很小的作用，它就會(huì)表現(xiàn)出很大的變化。它是介于純液體與純固體之間的具有一定流動(dòng)性的物質(zhì)，例如液晶、膠體、膜、泡沫、顆粒物質(zhì)、生命物質(zhì)、橡膠、墨汁、洗滌液、飲料、乳液及化妝品等。由于容易變化，所以軟物質(zhì)時(shí)常表現(xiàn)出非常怪異的性質(zhì)。

我們?cè)賮砜匆粋€(gè)有關(guān)軟物質(zhì)的故事：大約在2 500年前，生活在亞馬孫河流域的印第安人常把巴西三葉膠樹汁涂抹在腳上，大約20分鐘后，這種奇怪的液體就在印第安人的腳上凝成了一雙靴子。但不久，這種橡膠靴又會(huì)破成碎片。原來橡膠在化學(xué)上屬于軟物質(zhì)，含有大量的鏈狀高分子，這些高分子本來是相互獨(dú)立流動(dòng)的，但暴露在空氣中，橡膠中的碳原子與氧會(huì)發(fā)生反應(yīng)，就會(huì)戲劇性地改變橡膠的形態(tài)，使之凝固起來。隨著時(shí)間的推移，更多碳原子與氧繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，橡膠的形態(tài)又會(huì)被戲劇性地改變而破碎。

這個(gè)故事體現(xiàn)了軟物質(zhì)在微小的化學(xué)作用下發(fā)生巨大變化的性質(zhì)。在日常生活中我們經(jīng)?？梢钥吹竭@類戲劇性變化。例如，雕塑家輕輕一捏就能改變黏土的形狀；微小的振動(dòng)可以讓雪堆或沙堆發(fā)生雪崩或形成流沙；鈕扣電池的微小電場(chǎng)可以讓液晶分子發(fā)生明顯變化，從而顯示出不同的圖像。

可見軟物質(zhì)都具有一定的軟功夫，但不同種類的軟物質(zhì)還有其各自的奇異特性。

當(dāng)水變成軟物質(zhì)……

對(duì)于水，我們是很熟悉的，但是當(dāng)在水中添加一點(diǎn)溶于水的高分子長(zhǎng)鏈物質(zhì)時(shí)，水就會(huì)變成軟物質(zhì)，它雖然看起來還是清澈透明的，但是性質(zhì)卻變得讓人吃驚。

用棒攪拌水，水會(huì)旋向四周，可是軟物質(zhì)水不但不會(huì)旋向四周，還會(huì)向中心聚集，并且還有沿著攪拌棒向上爬的趨勢(shì)。1毫升普通水傾倒在地面上，馬上四散濺開，但是軟物質(zhì)水不會(huì)濺開，而是反復(fù)變扁、彈起，像一團(tuán)柔軟的橡皮一樣。

半杯水放在高處，我們?nèi)绾尾粌A倒、不破壞杯子而讓杯子里的水進(jìn)入低處的杯子里呢？很簡(jiǎn)單，可以找來一根軟管，把軟管的一端插入高處杯子的水中，另一端放入低處的杯子中，當(dāng)把軟管吸滿水后，水就會(huì)通過軟管從高處的杯子流向低處的杯子。那么我們能否不用軟管，讓水自動(dòng)化為一縷，攀過杯子壁，直掛下來，進(jìn)入低處的杯子呢？可以的，只需要向水中加入很少量的能夠溶于水的高分子長(zhǎng)鏈物質(zhì)。這時(shí)，我們把管子拔離水面，就會(huì)看到一縷水仍然源源不斷地從杯子中升入管子，然后流向低處的杯子。當(dāng)貼著杯子壁把管子撤掉，水會(huì)繼續(xù)成縷地攀過杯子壁向外流，直到杯中的水都流光。這場(chǎng)面讓人驚訝，這叫作無管虹吸現(xiàn)象。

軟物質(zhì)中的許多復(fù)雜的流體一般都具有上述怪異的性質(zhì)。

同號(hào)電荷相吸，異號(hào)電荷相斥

膠體也是一種軟物質(zhì)，開篇所介紹的有趣現(xiàn)象就是發(fā)生在膠體中的。膠體是微小顆粒散布于均勻介質(zhì)中形成的。霧是膠體，是水的小液滴散布在空氣中形成的；煙是膠體，是固體小顆粒散布在空氣中形成的；牛奶、牙膏是膠體，是液體中散布著小液滴或固體小顆粒。

膠體的軟功夫主要體現(xiàn)在，向膠體中加入一點(diǎn)物質(zhì)會(huì)引起膠體的大變化，例如在墨汁中加一點(diǎn)阿拉伯膠就能使墨汁穩(wěn)定存在很長(zhǎng)時(shí)間，一點(diǎn)紅鹵加入豆?jié){會(huì)使其變成豆腐。向膠體中加入小顆粒，膠體中的大顆粒會(huì)自動(dòng)聚成團(tuán)退到容器邊上。

帶電膠體顆粒還有種奇怪的現(xiàn)象：當(dāng)兩個(gè)帶同號(hào)電荷的膠體顆粒被限制在兩個(gè)玻璃板之間時(shí)，隨著玻璃板的不斷靠近，兩個(gè)膠體顆粒會(huì)相互吸引。怎么會(huì)出現(xiàn)“同號(hào)電荷相吸”的現(xiàn)象呢？很讓人費(fèi)解。確實(shí)，同電荷膠體顆?？拷承┍砻鏁r(shí)會(huì)表現(xiàn)出靜電吸引作用，而且，在這種受兩塊玻璃板約束的膠體中，不但同號(hào)電荷的膠體顆粒會(huì)相互吸引，異號(hào)電荷的膠體顆粒還會(huì)相互排斥！

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因科學(xué)家還不清楚。顯然，對(duì)于帶電膠體顆粒的靜電作用顛倒的現(xiàn)象研究將是非常有意義的。

神奇的囊

洗衣粉、磷脂之類物質(zhì)的分子，一端溶于水，一端不溶于水，若分散到水中或油中就會(huì)形成各種形狀的膜：?jiǎn)螌拥?、雙層的、平面的、球狀、梨狀、囊狀等。膜是柔軟的，有一定的流動(dòng)性，膜中的分子在膜內(nèi)可以自由移動(dòng)和擴(kuò)散，因此膜的形狀和面積會(huì)隨外界條件的變化而變化，它很容易形成，也很容易破裂。膜也是一種典型的軟物質(zhì)。

有一種非常有意義的膜叫作泡囊。它是一種由雙層分子膜構(gòu)成的柔軟的囊狀體，小的如細(xì)胞大小，大的可以達(dá)到幾毫米，囊的內(nèi)部可以裝上溶于水的各種營(yíng)養(yǎng)物，然后整個(gè)泡囊還可以在水中到處游走，且囊中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不會(huì)跑出來。囊的體積可以在一定范圍內(nèi)變大變小，形狀可以千變?nèi)f化，細(xì)長(zhǎng)、渾圓，都可以，真有點(diǎn)像我們用來裝東西的囊。最具有代表性的泡囊就是細(xì)胞膜，細(xì)胞膜包著細(xì)胞液和各種細(xì)胞器，但是這些物質(zhì)卻不會(huì)輕易跑到細(xì)胞膜外。能證明細(xì)胞膜的形狀可以隨意變化的明確證據(jù)就是直徑幾微米的紅細(xì)胞可以擠過直徑只有0.2微米的毛細(xì)血管，紅細(xì)胞囊需要變得多么細(xì)長(zhǎng)?。∨菽乙话悴粫?huì)破裂，一旦被刺破，也會(huì)自動(dòng)愈合上。

軟物質(zhì)造就了生命體

我們的身體就是由細(xì)胞、體液、蛋白質(zhì)和DNA等組成，我們已經(jīng)知道細(xì)胞膜是軟物質(zhì)，體液屬于膠體，也是軟物質(zhì)，而蛋白質(zhì)和DNA也是軟物質(zhì)。

蛋白質(zhì)分子能夠隨著環(huán)境的變化隨時(shí)調(diào)整自己的形態(tài)，直到最穩(wěn)定。因此蛋白質(zhì)的形態(tài)容易變化，可以在生物反應(yīng)時(shí)，從一種形態(tài)變到另一種形態(tài)，因此它可以用作酶來催化體內(nèi)的生物反應(yīng)。蛋白質(zhì)分子在一定外界條件下，只有一種形態(tài)是最穩(wěn)定的，因此不管蛋白質(zhì)分子鏈有多長(zhǎng)，只要所處的環(huán)境相同，它們的折疊過程和最后的形態(tài)都是一樣的。

同樣道理，DNA分子的形態(tài)也是相對(duì)穩(wěn)定的，通常以雙螺旋的形式存在，但是當(dāng)體內(nèi)環(huán)境改變，例如DNA分子復(fù)制前，DNA還會(huì)解開螺旋狀態(tài)。那么DNA為什么不是以亂麻的形式存在呢？更雜亂的狀態(tài)豈不更穩(wěn)定？不是這樣的。就像膠體中若存在大球和小球，最穩(wěn)定的狀態(tài)并不是大球和小球隨機(jī)雜亂分布，而是大球和小球分離，大球比較規(guī)則地聚集起來。

由于軟物質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定和有規(guī)則變化，由軟物質(zhì)構(gòu)成的生命體也就被賦予了超凡的能力：在需要穩(wěn)定時(shí)穩(wěn)定，在需要變化時(shí)變化。是軟物質(zhì)的“軟功夫”造就了不斷對(duì)外界環(huán)境做出反應(yīng)，不斷新陳代謝、生長(zhǎng)變化的生命體。

編輯/張懷宇