軟物質(zhì)的物理實(shí)驗(yàn)在普通高校教學(xué)中的推廣*

洪曉鐘 白利斌 賈鵬英

(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071002)( 河北大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 河北 保定 071002)(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071002)(收稿日期：2016-09-09)

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軟物質(zhì)的物理實(shí)驗(yàn)在普通高校教學(xué)中的推廣*

洪曉鐘 白利斌 賈鵬英

(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071002)( 河北大學(xué)化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 河北 保定 071002)(河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 河北 保定 071002)(收稿日期：2016-09-09)

軟物質(zhì)物理學(xué)的蓬勃發(fā)展已使其成為一個(gè)特色學(xué)科,因而有必要在普通高校的物理教學(xué)中開設(shè)有關(guān)軟物質(zhì)物理方面的課程.有鑒于此,近5年來我們嘗試在普通物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開設(shè)了一些具有代表性的軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn),以期將軟物質(zhì)物理學(xué)逐漸融入到相應(yīng)的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,拓展學(xué)生的視野.首先對(duì)比了國際和國內(nèi)的軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)情況,然后介紹了一些與傳統(tǒng)物理學(xué)結(jié)合緊密的典型軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn).在此基礎(chǔ)上,闡述了在普通高校物理實(shí)驗(yàn)中引入軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)的必要性及意義,旨在使大學(xué)生在物理方面的多元化的訓(xùn)練,從而全面提升綜合素質(zhì),強(qiáng)化軟物質(zhì)物理的研究隊(duì)伍.

軟物質(zhì) 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué) 交叉學(xué)科

1 軟物質(zhì)物理學(xué)的重要性

軟物質(zhì)是指物態(tài)介于固體和理想流體之間且兼具固態(tài)和液態(tài)特性的物質(zhì),因而也被稱作軟凝聚態(tài)物質(zhì)或者“復(fù)雜流體”[1].1991年,法國物理學(xué)家德熱納(De Gennes P.G) 在其諾貝爾獎(jiǎng)致辭中首次把“復(fù)雜流體”更名為“軟物質(zhì)”,并從此開啟了軟物質(zhì)領(lǐng)域的迅速發(fā)展[2].軟物質(zhì)是凝聚態(tài)物質(zhì)中的重要組成部分,其結(jié)構(gòu)和物態(tài)變化的驅(qū)動(dòng)力主要包括熵以及疏水、親水、氫鍵等類似的弱相互作用,因而使其呈現(xiàn)出“弱刺激-強(qiáng)響應(yīng)”的特性[3].軟物質(zhì)主要包括液晶、聚合物、兩親性分子、膠體、膜、泡沫、蛋白質(zhì)和顆粒物質(zhì)等等,其最為直接的例子是日常生活中的牛奶、飲料、果凍、洗滌劑、乳液、化妝品等等.顯然,軟物質(zhì)在自然界中廣泛存在,并與很多物理化學(xué)過程密切相關(guān),因而引起了越來越多的物理學(xué)家的廣泛關(guān)注,并成為物理學(xué)與其他學(xué)科交叉融合的研究前沿.

毋庸置疑,鑒于軟物質(zhì)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力的特殊性,軟物質(zhì)的聚集態(tài)和相態(tài)結(jié)構(gòu)既與傳統(tǒng)物理學(xué)理論直接相關(guān),同時(shí)又包含有別于傳統(tǒng)物理學(xué)的新內(nèi)涵.因而,如何建立傳統(tǒng)物理學(xué)與軟物質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)值得深入探索和研究,也亟需在大學(xué)物理學(xué)本科教育中增設(shè)相關(guān)的課程,以期更好地培養(yǎng)相關(guān)人才.目前,一些發(fā)達(dá)國家的研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)中有關(guān)軟物質(zhì)物理的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)已經(jīng)處在較高的水平上[4].相對(duì)而言,國內(nèi)僅有少數(shù)科研院所開展了軟物質(zhì)物理的研究和教學(xué),而在絕大多數(shù)普通高校的物理學(xué)教學(xué)中,則缺失了有關(guān)軟物質(zhì)物理的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容.

為了彌補(bǔ)這一缺失,提高物理教學(xué)中有關(guān)軟物質(zhì)物理的份額,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開展具有代表性的軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)十分必要.同時(shí),這一目標(biāo)也為21世紀(jì)的物理教學(xué)提出了較高的要求.

2 普通高校開設(shè)典型軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)的意義

2.1 典型的軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)在普通高校中開展的意義

物質(zhì)物理涉及的領(lǐng)域很廣,在以歐、美為代表的一些發(fā)達(dá)國家中,絕大多數(shù)高校的物理學(xué)院均已建立了有關(guān)軟物質(zhì)物理的穩(wěn)定研究方向,研究隊(duì)伍的規(guī)模和層次不斷壯大和提高,從而形成了物理、化學(xué)、生物的一個(gè)交叉學(xué)科.而在國內(nèi),軟物質(zhì)物理的研究雖然有了一定的基礎(chǔ),但與國際水平仍有著巨大的差別.為了表述清晰起見,表1中例舉了國際上一些國家的軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建情況[4].

表1 國際上一些國家的軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建情況

相對(duì)于歐美等發(fā)達(dá)國家而言,我國軟物質(zhì)物理的基礎(chǔ)研究相對(duì)落后.正如權(quán)威學(xué)者所指出的那樣[4],在我國軟物質(zhì)領(lǐng)域面臨研究機(jī)構(gòu)少、研究人員缺乏、研究領(lǐng)域偏窄以及研究工作薄弱等等一系列問題.造成這些問題的主要原因是人們對(duì)軟物質(zhì)物理學(xué)科的理解和認(rèn)識(shí)存在著滯后、對(duì)其發(fā)展方向和意義的認(rèn)識(shí)有待提高,同時(shí)各個(gè)學(xué)校的物理系對(duì)軟物質(zhì)物理的宣傳和介紹較少.目前為止,僅有中國科學(xué)院和幾所重點(diǎn)大學(xué)成立了以軟物質(zhì)為主要研究方向的穩(wěn)定研究團(tuán)隊(duì)和實(shí)驗(yàn)室,而絕大多數(shù)學(xué)校的物理系尚未重視軟物質(zhì)物理的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和研究,或者根本未開設(shè)相關(guān)的課程.因此,就目前的發(fā)展趨勢而言,我國在軟物質(zhì)領(lǐng)域的發(fā)展水平要想躋身于世界前列,應(yīng)從基礎(chǔ)做起.有鑒于此,在普通高校的物理教學(xué)中開設(shè)典型的軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)就顯得尤為重要.

2.2 典型軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)在普通高校中開展的意義

相對(duì)于傳統(tǒng)物理學(xué)中的普通物理教學(xué)而言,軟物質(zhì)物理能夠把很多傳統(tǒng)物理學(xué)的概念更加直觀地呈現(xiàn)出來.例如在高分子稀溶液理論中[5,6],高分子鏈與溶劑的有效相互作用可以通過所謂的θ溫度(也稱為Flory溫度或理想溫度)予以直觀地說明:

(1) 當(dāng)溶液的溫度T>θ溫度時(shí),高分子鏈的排斥體積增大,進(jìn)而導(dǎo)致高分子在溶液中呈現(xiàn)伸展?fàn)顟B(tài),此時(shí)溶劑表現(xiàn)為為良溶劑;

(2) 當(dāng)高分子溶液的溫度T=θ溫度時(shí),此時(shí)鏈段-鏈段以及鏈段-溶劑之間的相互作用也相等,從而使得溶液中高分子鏈呈現(xiàn)出無擾狀態(tài),相應(yīng)的排斥體積為零;

(3) 當(dāng)溶液的溫度T<θ溫度時(shí),高分子鏈的排斥體積為負(fù)值,因而鏈段之間表現(xiàn)為相互吸引,致使高分子鏈段發(fā)生聚集而析出,此時(shí)溶劑表現(xiàn)為不良溶劑.在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,通過相平衡方法和光散射方法可對(duì)體系的θ溫度進(jìn)行測定[7],使學(xué)生們形象地理解有關(guān)有效相互作用的調(diào)控情況.事實(shí)上,這一簡單的溶液體系可以充分地將熱力學(xué)部分有關(guān)溶液特征予以清晰地說明,從而更好地理解如拉烏爾定律和亨利定律等內(nèi)容[8].

鑒于軟物質(zhì)在自然界中普遍存在的特性,在普通高校中開設(shè)軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)不僅可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于軟物質(zhì)物理的學(xué)習(xí)興趣,同時(shí)也可拓展學(xué)生們的學(xué)術(shù)視野,從而吸引學(xué)生們投身到有關(guān)軟物質(zhì)物理的研究上來.由于軟物質(zhì)領(lǐng)域涉及到數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、材料工程等多學(xué)科，是一個(gè)典型的多學(xué)科交叉、融合的學(xué)科.因此,它既需要數(shù)學(xué)和物理學(xué)科能夠提供將新的概念和理論方法用于其中,同時(shí)也需要化學(xué)和材料學(xué)科進(jìn)行實(shí)驗(yàn).由此可見,多學(xué)科之間相輔相成是軟物質(zhì)領(lǐng)域發(fā)展的必由之路.基于這一事實(shí),典型軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)的開設(shè)必將促進(jìn)普通高校內(nèi)相關(guān)學(xué)院之間通力合作,拓展原有的學(xué)科內(nèi)涵,建立學(xué)生的多元化思維模式.

如前所述,我國在軟物質(zhì)物理領(lǐng)域內(nèi)的研究在國際上處于相對(duì)落后的地位,因而在本科教學(xué)階段有意識(shí)地結(jié)合軟物質(zhì)物理教學(xué)可以起到引導(dǎo)作用.在國內(nèi),目前的軟物質(zhì)研究大多集中在軟物質(zhì)材料的合成、表征及應(yīng)用方面，而在該領(lǐng)域內(nèi)的源頭創(chuàng)新依舊匱乏，有待進(jìn)一步發(fā)展.究其原因,主要還是軟物質(zhì)物理方面人才的缺乏以及認(rèn)識(shí)方面的不足.事實(shí)上,有關(guān)軟物質(zhì)“弱刺激-強(qiáng)響應(yīng)”特性更深層次的物理機(jī)制還有待深入探索和研究,而較好的物理基礎(chǔ)是深入研究的先決條件.顯然,在普通高校的物理教學(xué)中開設(shè)軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以使學(xué)生更早地接觸和認(rèn)識(shí)軟物質(zhì),起到應(yīng)有的導(dǎo)向作用.在此基礎(chǔ)上,有目的地強(qiáng)化學(xué)生對(duì)軟物質(zhì)物理的認(rèn)識(shí),以期增加軟物質(zhì)物理領(lǐng)域的人才儲(chǔ)備.這有助于提升我國的軟物質(zhì)物理研究的實(shí)力,對(duì)其躋身于國際并與國際研究水平接軌具有實(shí)質(zhì)意義.

2.3 我校開設(shè)軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)的典型實(shí)例

基于上述考慮,我們?cè)诒拘＿B續(xù)5年對(duì)本科學(xué)生展開問卷調(diào)查,借以了解同學(xué)們對(duì)軟物質(zhì)物理的認(rèn)識(shí)以及他們對(duì)增設(shè)軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)的看法.調(diào)查結(jié)果表明,大多數(shù)同學(xué)對(duì)軟物質(zhì)物理的認(rèn)識(shí)僅存在于表面的認(rèn)知上,對(duì)其物理內(nèi)涵有欠了解,同時(shí)對(duì)于增設(shè)軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出濃厚的興趣.為此,我們特意組織了師資,聯(lián)合開設(shè)了一些具有代表性的軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和研究興趣,以此來實(shí)現(xiàn)學(xué)生們對(duì)于軟物質(zhì)的認(rèn)識(shí).

5年來,經(jīng)過不斷地嘗試和探索并結(jié)合每年的問卷調(diào)查,我們發(fā)現(xiàn)以下4個(gè)具有代表性的軟物質(zhì)實(shí)驗(yàn)適合在普通物理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開設(shè):

(1)θ-條件下鏈狀高分子的尺度(溫度驅(qū)動(dòng)的物態(tài)變化);

(2)軟物質(zhì)物理的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)(非晶態(tài)和晶態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變);

(3)高分子液晶的織構(gòu)及其光學(xué)特性(結(jié)構(gòu)及光電特性);

(4)膠體的自組織(熵致軟物質(zhì)的物態(tài)變化).

以上4個(gè)實(shí)驗(yàn)之所以受到學(xué)生歡迎的原因主要是在于以下特點(diǎn):

(1)這些實(shí)驗(yàn)既是軟物質(zhì)領(lǐng)域中的代表性實(shí)驗(yàn),同時(shí)也與物理系的本科教學(xué)密切相關(guān),二者之間可以實(shí)現(xiàn)良好對(duì)接.在這些實(shí)驗(yàn)中所涉及到的物態(tài)變化和熱力學(xué)概念均有簡單明了的特點(diǎn),但同時(shí)卻又是了解相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的物理根源.

(2)實(shí)驗(yàn)中所需要的材料易得、相關(guān)的實(shí)驗(yàn)步驟簡單、實(shí)驗(yàn)的思路清晰、實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀、實(shí)驗(yàn)中所揭示的現(xiàn)象在軟物質(zhì)領(lǐng)域中占有重要地位,是了解軟物質(zhì)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ).

(3)實(shí)驗(yàn)所需要的時(shí)間與普通物理實(shí)驗(yàn)的時(shí)間相當(dāng),且無須額外配備實(shí)驗(yàn)室、易于理解和操作.在每年的普通物理拓展實(shí)驗(yàn)中,均有多名同學(xué)報(bào)名參加上述軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn),并認(rèn)真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、總結(jié)結(jié)果以及撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告,達(dá)到了預(yù)期效果,收效良好.

基于普通院校本科生的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排,近5年來,我們發(fā)現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)作為可以分開安排在二年級(jí)的普通物理實(shí)驗(yàn)中.通過在我校普通物理教學(xué)的拓展實(shí)驗(yàn)中開展了有關(guān)軟物質(zhì)物理的實(shí)驗(yàn),不僅拓展了學(xué)生知識(shí)面,同時(shí)也開闊學(xué)生的視野,從而與傳統(tǒng)的物理學(xué)基礎(chǔ)課程之間的互相輔助,共同促進(jìn)和豐富本科生的普通物理教學(xué)工作.目前,其他有關(guān)軟物質(zhì)物理和材料的實(shí)驗(yàn)也在進(jìn)一步探索和嘗試之中.

3 結(jié)束語

軟物質(zhì)在自然界、生產(chǎn)和生活中普遍存在,是一類具有特殊運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物體.在科學(xué)多元化發(fā)展的今天,軟物質(zhì)物理已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理中不可或缺的重要分支.然而,面對(duì)我國在該領(lǐng)域內(nèi)相對(duì)落后的現(xiàn)狀,需要從人才培養(yǎng)、團(tuán)隊(duì)建設(shè)、凝練內(nèi)涵等多個(gè)角度進(jìn)行努力.因此,在普通院校本科生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引進(jìn)適合教學(xué)的典型軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)有著重要意義.顯然,激發(fā)學(xué)生興趣、拓展學(xué)生的視野必將起到應(yīng)有的導(dǎo)向作用,從而使得軟物質(zhì)物理在傳統(tǒng)物理中日益凸顯出來.正如有些學(xué)者指出的那樣,新的世紀(jì)是軟物質(zhì)物理大放異彩的世紀(jì),對(duì)軟物質(zhì)的深入研究將對(duì)物理、生命工程、化學(xué)環(huán)境、材料和醫(yī)藥等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響.為此,在普通高校中大力推廣和開展軟物質(zhì)物理實(shí)驗(yàn)有著現(xiàn)實(shí)意義,值得拓展.

1 陸坤權(quán),劉寄星.軟物質(zhì)物理學(xué)導(dǎo)論.北京:北京大學(xué)出版社，2006.4～8

2 De Gennes P.G.Rew.Mod.Phys.1992(3)：645～648

3 馬余強(qiáng).軟物質(zhì)的自組織.物理學(xué)進(jìn)展，2002(1)：73～98

4 陸坤權(quán),劉寄星.軟物質(zhì)物理——物理學(xué)的新學(xué)科物理.物理，2009(7)：453～461

5 朱平平,楊海洋,何平笙.軟物質(zhì)的θ溶液.化學(xué)通報(bào)，2003(2)：138～141

6 M·魯賓斯坦(美).高分子物理.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.85～125

7 唐四葉,曹欣祥,李仕輝.相平衡法測定氯化聚丙烯在不同溶劑中的θ溫度.涂料工業(yè)，2012(2)：56～59

8 王竹溪.熱力學(xué).北京:北京大學(xué)出版社，2005.327～337Development on Soft Matter Physics Experiments in General Colleges and Universities Physics Teaching

Hong Xiaozhong Bai Libin Jia Pengying

(College of physical science and technology,Hebei University,Baoding,Hebei 071002)( College of chemistry and environmental science,Hebei University,Baoding,Hebei 071002)(College of physical science and technology,Hebei University,Baoding,Hebei 071002)

Soft matter physics has been an individual characteristic subject in the field of physics due to its fruitful development.It is therefore necessary to design the related experiments in the physical course in general universities.Based on such a consideration,we have performed several typical experiments on the soft matter physics in the past five years for the purpose of enriching the relevant knowledge.In this paper the status about the laboratories of soft matter physics is first presented,which shows the deficiency between developed countries and chinese mainland in this field,in particular,in most of general universities.Furthermore,the necessity and significance of introducing some typical experiments on the soft matter physics are discussed,which are helpful to promote diversity physical training for the undergraduates.

soft matter；course on physics experiments；interdiscipline

*河北大學(xué)第八批教學(xué)改革研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：JX08-YB-23