软物质课件

University of London London, Great Britain Harvard University Cambridge, MA, USA Institute of Molecular BiologyCambridge, Great Britain Great BritainUSAGreat BritainMaurice Hugh Frederick Wilkins James Dewey Watson Francis Harry Compton Crick control of enzyme and virus synthesis"Institut Pasteur Institut Pasteur Paris, France Institut Pasteur Paris, France France France France Jacques Monod Andre Michellwoff Francois Jacob National Institutes of Health Bethesda, MD, USA University of Wisconsin Madison, WI, USA Cornell University Ithaca, NY, USA USAUSAUSAMarshall W. Nirenberg Har Gobind Khorana Robert W. HolleyDNA是大分子高分子聚合物，DNA溶液为高分子溶液，具有很高的粘度。

DNA对紫外线有吸收作用，当核酸变性时，吸光值升高；当变性核酸可复性时，吸光值又会恢复到原来水平。

温度、有机溶剂、酸碱度、尿素、酰胺等试剂都可以引起DNA分子变性，即使得DNA双键间的氢键断裂，双螺旋结腺嘌呤3、体内重要的游离核苷酸及其衍生物z含核苷酸的生物活性物质：NAD +、NADP +、CoA-SH 、FAD 等都含有AMPz 多磷酸核苷酸：NMP ，NDP ，NTP z 环化核苷酸: cAMP ，cGMP N O CH 2O OH OH N N N NH 2P O OH O H AMP N O CH 2O OHOH N N N NH 2P O OHO P OOH O H ADP N OCH 2O OH OH N NNNH 2P O OH O P O OH O P OOH O H ATP NOCH 2OOHO NNNNH 2P O OH cAMPcAMPNADP +NAD +´端CGA端C G A的空间结构与功能Dimensional Structure andFunction of DNAFranklin, Rosalind Elsie (1920-58)British biophysicist. Born in London,she was educated in physicalchemistry at Newnham College,Cambridge. Franklin conducted X-raydiffraction studies on the structure ofthe DNA molecule, the carrier ofhereditary information, while workingin the laboratory of Britishbiophysicist Maurice Wilkins. ThisJames Watson (left) and Francis Crick（二）DNA双螺旋结构模型要点）（Watson, Crick, 1953）两链间碱基通过氢键配对（A=T; G≡C）；碱基对垂直螺旋轴居双螺旋内側。

¾布朗运动
沉降1cm所需的时间
Au粒子的直径,nm
19 a
1 nm
68 d
10 nm
16 h 100nm 固体材料颗粒度的划分和尺度范围
在通常的材料粒度分析中，研究的粒度大小一般在100～1000 nm 尺寸范围。

而对于纳米材料研究，研究的粒度范围主要在1～500nm，尤其是1～20nm属于最为关注的尺度范围。

质点的相对大小对散射类型的影响激光衍射粒度仪原理图
不同大小粒子Ag溶胶的颜色
三种不同粒径的金溶胶不同大小金溶胶对光的吸收
SPR 现象(surface plasmon resonance absorption):是由于金属纳米
粒子中自由运动的电子与外界电磁场的相互作用在纳米粒子
表面产生了极化，极化产生的恢复力使自由电子产生振荡，
吸附 化学吸附：可吸附不同质的异性离子
¾双电层结构及有关理论
•Helmholtz平板电容理论
•Gury-Chapmen 双电层理论
•Stern 模型
的单位为离子数/mL, 如果以浓度表示C io(mol/L)
Stern 模型:
(combination of Helmholtz and Gouy-Chapman）layer of tightly bound hydrated counterions(Helmholtz) at the surface (Stern layer, A) followed by a diffuse solvated ion layer B (Gouy-Chapman)。

神经氨酸酶带状图示Oligosaccharides: Oligo Disaccharides. Disaccharides consist of two monosaccharidesby a dehydration synthesis. Sucrose is common disaccharide whichas a transport sugar in plants.Each sucrose molecule is made by chemically combining a glucose and aPolysaccharides: Polysaccharides are the most abundant organiccompounds in the biosphere. The most commonly seen polysaccharide iscellulose and scientist estimate that over one trillion tons of cellulose aresynthesized by plants each year. Cellulose forms the cell wall of plants.Starches can be digested by animals but cellulose cannot. Most animals thatinjest grass or wood have special micro organisms living in their gut thatdigest the cellulose and the animals in turn absorp the breakdown product不仅具有不同尺寸的疏水性内腔和亲水的表面，而且具有手性地微环境，因此可以选择性地键合各种有机、无机和生物分子形成包接配合物，现已成为超分子化学中非常重要的主体化合物；而经过有关化学修饰的天然CD, 更是得到了广泛地应用。

Tanaka T, et.al. Phys. Rev. Lett. 1980, 中性NIPAAm的平衡溶胀曲线，用体积比和网络的体积分数φ表示。

溶胀平衡图解9特殊行为丙烯酸-NIPAAm共聚凝胶的平衡溶胀曲线由图可见，仅仅加入不到1%的离子性基团，25就增加了20%，说明离子效应非常明显。

①离子对相变的影响非常显著这种转变都是作为溶剂组成的函数所组成的，它会导致溶胀-收缩-溶胀这种逐步变化的现象。

有观点认为，这与混合溶剂和网络之间特异的相互作用导致的结构变化有关。

总结：最为单纯的凝胶，即均聚物的网络和纯溶剂构成的凝胶，其溶胀平衡根据Flory等人发展起来的凝胶热统计现象论，可以进行半定量的说明。

在此理论范围内，决定凝胶溶胀平衡的最为重要的参数为Huggins参数。

通常在Huggins参数对浓度的依赖性很大时才会发生体积相变。

若网络上引入少量的电荷，溶胀度会显著增大。

这可以用基于道南效应的反离子渗透压来解释。

电解质凝胶的性质中还有许多部分不能完全解释。

并且在混合溶剂中的凝胶的溶胀行为和相变现象也存在许多未解决的问题。

表异构化作用的IPS(EPS)/CS2溶液（凝胶）(c = 20%)的红外光谱对温度的依赖性（图中以竖线表示560cm-1–TG型规整链特有的谱带）.括号内的值是通过1H NMR求得的、用于表征规整性的消旋二价[r]。

使用。

NMR方法的分类PNIPAAm重水溶液中的（10%）的PNIPAAm分子链的主链和侧链的T2与温度的关系。

水的临界条件：342°C / 218 atm CO2临界条件：31.4°C/ 7.28 MPa凝胶结构的各种分析方法及其适合的结构尺寸范围凝胶的结构（从宏观到分子水平考虑的凝胶的各种结构）最大优点：无损检测可获得厚度方向的信。

第二章软物质概念和高分子浓厚体系的分子模型（Soft matter and the molecular modelof concentrated polymer systems）§2-1 软物质概念和高分子材料的软物质特征按现代凝聚态物理学的概念，高分子材料被称为“软物质”（soft matter）或“复杂流体”（complex fluids）。

“软物质”的概念是法国科学家de Gennes在诺贝尔奖颁奖典礼上发表讲演时提出的。

de Gennes在研究高分子浓厚体系的非线性粘弹性理论方面作出突出贡献，提出大分子链的蛇行蠕动模型，合理处理了“缠结”（entanglement）对高分子浓厚体系粘弹性的影响。

de Gennes指出，在人们熟知的固体和液体之间，世界上还存在着一大类介于两者之间的“软物质”，对人类日常生活有巨大影响。

从字面上理解，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，都能作出相当显著响应和变化的那类凝聚态物质。

高分子材料，包括高分子溶液和熔体属于典型的软物质。

de Gennes以天然橡胶树汁为例，在树汁分子中，只要平均每200个碳原子中有一个与硫发生反应（硫化），就会使流动的橡胶树汁变成固态的橡胶，使材料表现出奇异的高弹性。

这种如此小的结构变化而引起体系性质的巨大变异，揭示了高分子这类物质因弱外部作用而发生明显状态变化的软物质特性。

高分子溶液和熔体的奇异流变性能（剪切变稀，结构粘性）也是这种软物质特性的表现，流动中的高分子溶液和熔体会因微弱的外力变化而改变其流动或变形状态，也会因微弱的结构变化而表现出完全不同的流变性质。

由于“软物质”以新的凝聚态物理概念深刻揭示了高分子材料与其他凝聚态物质的差别，帮助我们从一个全新角度深刻体会高分子材料的特性和内涵，因此可以说，从这个观点出发，我们对高分子材料奇特的结构与性能关系的研究将上升到一个新的层次和高度。

软物质：熵统治的世界——从一个实验谈起AhaP. G. De Gennes如果你处身于一个满是蚊子的房间里，你会躲到哪里呢？答案是靠着墙，躲在角落里，这样身后就不会有蚊子来了，只需对付前面的蚊子就可以了。

1998年的物理评论快报上发表了宾夕法尼亚大学物理和天文系的A. D. Dinsmore, D. T. Wong, Philip Nelson和A. G. Yodh合作的一个有趣的实验。

这个实验与我们的蚊子事件有着异曲同工之处。

实验中几位科学家先将一个直径只有0.474微米大的“大球”放到一个微型的梨形容器里。

通过长时间多次光学摄影的方法，我们看到这个大球在这个容器中任何一处都可以出现（图1b，亮处为大球所处位置）。

然后他们又将很多的更小的球（半径0.042微米）放了进去（如图1a所示）。

这时候，从摄影照片看，大球基本上只能待在边上了（图1c，小球远小于可见光波长，因此看不到）。

这个结果是如何发生的呢？我们来仔细看看。

图一首先我们知道容器中的大球、小球都在不停地做随机运动，同时小球也在不停地从各个方向撞击着大球。

在每一时刻，大球在不同方向上受到的小球撞击一般来说是不一样多的，大球就会因为受力的不同而向某个方向运动。

当大球碰到了容器壁的时候，大球会发现靠着容器的一边不会有东西撞它了，所有的撞击都来自另一边。

于是这些撞击就迫使它靠在容器的边缘上了。

实际的过程比我们这里的分析的要复杂，但大体的情况就是如此——大球为了躲避小球“蚊子”的“叮咬”而藏在了墙边上。

图2. 阴影部分是小球中心不能去的地方，而b，c中黑的部分为墙和大球的阴影部分的重叠从更物理些的分析上来看，这样的结果是由于熵的作用。

熵是表征体系自由度（或通俗些但不大准确地说，大球、小球可以自由活动的范围）的一个物理量。

由于我们的球是硬的，不会变形，那么在大球和墙壁周围总有一些地方是小球去不了的（图2 中的阴影部分），也就是说那些地方不是小球的活动空间。

凝胶的特性、功能以及应用实例溶胀在中途加速，溶胀度-时间曲线呈现S型NIPAAm-AAm共聚物凝胶的药物释放机理(a)和观察到的所含消炎药的释放速度(b)。

Okano T; et.al Macromolecuels, 1994, 27, 6163用刺激响应型高分子修饰的表面使用凝胶的分离体系使凝胶反复溶胀和收缩，从而精制蛋白质溶液过程示意图。

Cussler, et.al. Adv.Polym. Sci. 1993, 110, 67优点：低温下实现物理分离过程，有效地抑制蛋白质的变性。

无葡萄糖存在时，PAA处于离解状态并呈现伸展结构PAA呈现收缩结构GOD：葡糖氧化酶合，并将GOD引入其中用于治疗糖尿病的控制胰岛素释放体系尼龙胶囊表面接枝PNIPAAm萘二磺酸钠附载性与吸油性油凝胶化剂：是指加入少量（通常少于10%），通过加热与冷却等简单操作就可使水以外的液体发生凝胶化的化合物。

可以形成凝胶的不仅是高分子化合物，部分小分子也具有形成凝胶的能低分子化合物凝胶化剂形成的是典型的物理凝胶，即加热时迅速溶化，冷却时快速凝胶化，形成的是热可逆的凝胶。

其中，1是最早被报道用于油凝胶化剂的化合物；2是市售的食用废油的凝胶化剂。

仅适用于甲醇和环己烷在20℃固化各种溶剂所需要的最小浓度（凝胶化剂/溶剂）溶胶-凝胶相图及最小凝胶化浓度和温度的关系。

□CCl 4; ●乙酸乙酯；○环己烷表明：凝胶化高温液体，必须加入较多的油凝胶化剂伴随温度变化的PMAA膜的化学力学性质形状记忆合金、高分子和凝胶的特性比较Poly (SA-co-AA）水凝胶弹性模量与温度的关系生物软组织的高层次结构生物膜的胶原纤维排列腱的胶原纤维排列对于生物材料的要求可灭菌无毒性生物相容性生物相容性的分类四、有机凝胶光致变色凝胶25℃0 ℃。

目录引言 (3)1.软物质的概念、种类及其特征 (2)1.1 软物质的概念 (2)1.2软物质的种类 (3)1.3软物质的特征 (3)1.3.1熵致有序 (4)1.3.2对外界微小作用的敏感性和非线性响应 (4)1.3.3软物质的自组织（装）行为 (5)1.3.4复杂性 (5)2.软物质的应用 (6)3.结束语 (6)软物质的物理机制及其特性摘要：当今世界，国际物理学界开始热衷于对软物质的研究，新增设了凝聚态物理学。

了解下软物质的概念及种类，分析软物质的物理机制及其特性。

软物质的“软”的性质是由于许多原因照成，首先是其对外界微小变化的敏感性及非线性响应；再者是其熵致有序及自组织特性；还有其复杂性。

其中以熵致有序为其主导性质作为研究。

关键词：软物质熵致有序自组织复杂性引言20世纪的物理学家们致力于研究硬物质，如金属、半导体等非晶材料，掌握这类材料开创了人类社会的信息时代。

时至21世纪，物理学家把分散于化学化工、医学、食品、生物材料等所研究的一类物质重新组合为逐渐统一的研究领域，称为软凝聚态物质（即软物质），包括了处于固体和理想流体之间的一切物质。

软物质是表面上看起来有点神秘，却有更多探索的冲动，让我们想要去靠近并研究它的复杂性和对外界微小变化的敏感性，两种性质互相独立又互相联系。

简单说来，软物质就是指处于固体和理想液体之间的物质，一般由大分子或基团组成，在自然界、生命体、日常生活和生产中普遍存在。

例如：液晶、聚合物、双亲分子、胶体、膜、泡沫、蛋白质折叠、颗粒物质、生命体系物质等等。

软凝聚态物质的基本特征是对外界微小作用的敏感性（即弱力强变化的特性），此特征充分可以解释以上现象及生活经历。

对外界的微小激励下会产生巨大的响应（而这种响应通常还是非线性的）。

除了此性质外，它还具有复杂性、自组织（装）结构的多样性等特点。

由于国际物理学界中的“新杂质与新栏目”对软物质的热衷，中国科学院物理所研究所在2001年也开始正式成立了“软物质物理实验室”，将研究蛋白质结构、分子自组装、液体和胶体、复杂体系及颗粒物质物理及动力学几个小组进行整合及发展。