软物质的研究导论
课 程 ：生物材料
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专 业 ：材料学（无机）
学 院 ：材料科学与工程学院
软物质的研究导论
摘要：软物质的提出与发现，为推动二十一世纪凝聚态物质的研究提供了很大的便利。文章概述了软物质的发展和作用意义，并针对软物质的三个基本特性展开陈述，对其应用进行归纳总结。以国内外发展现状为契机，认识问题，展望未来。
关键词：软物质；特征与应用；发展现状
1.引言
软物质这一概念由法国物理学家德·热纳(P.G. de Gennes)首先提出，他在1991年诺贝尔奖授奖会上以“软物质(SoftMatter)”为演讲题目[1]，他用“软物质”一词概括所有“软”的东西[2]，包括普通的流体和当时美国学者惯常称呼的“复杂流体”，从此推动了一门21世纪跨越物理、化学和生物三大学科的重要交叉学科的发展。软物质又称软凝聚态物质(Soft condensed matter)或称复杂流体(Complex
fluid)，是指处于固体和理想流体之间的复杂物质，一般由大分子或基团(固、液、气)组成。软物质在纳米到微米尺度(l~1000nm)范围内，通过相互作用可形成从简单的时空序到复杂生命体一系列的结构体和动力学系统。软物质的丰富物理内涵和广泛应用背景引起越来越多物理学家的兴趣，是具挑战性和迫切性的重要研究方向，已成为凝聚态物理研究的重要前沿领域[3] [4]。
我们通常对软物质的理解，直觉是指容易形变的东西。德·热纳取软物质这个名词也是出于这一层通俗易懂的寓意。自然界中软物质无所不在，生命体是最显而易见的一类软物质。生物体的组成部分，如细胞、蛋白质、DNA等基本上都是软物质；日常生活和生产过程中软物质更是广泛存在，如橡胶、墨水、乳液及药品和化妆品，等等。对软物质的深入研究，将对生命科学、化学化工、医学、药物、食品、材料、环境、工程等领域及人们日常生活有广泛影响。软物质的基本特性是对外界微小作用的敏感和非线性响应、自组织行为、空间缩放对称性。它与一般硬物质(如金属、陶瓷等) 的运动变化规律有许多本质区别。人们对这一研究领域的开拓还远未达到较完善的程度，任重而道远[3][5]。
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1991年诺贝尔物理学奖
1991年物理学奖，授予法国的德热纳皮埃尔•德热纳(PierreG.deGenneS以表彰他把研究简单系统中有序现象的方法推广到更复杂的物质态，特别是液晶和聚合物所作的贡献。
皮埃尔•吉勒•德热纳(PierreGillesdeGennes,1932—),出生于法国巴黎。1955年—1959年在原子能中4(Saclay)作研究工程师，主要从事中子散射和磁学方面的研究工作。随后在伯克利完成博士后并进行高级研究或工作访问。1961年被聘为奥尔塞巴黎大学固体物理学助理教授，讲授金属与合金的超导理论。1971年被聘为法兰西学院教授。自1976年起在巴黎物理和化学研究所任所长。德热纳于2007年逝世。
德热纳用数学方法描述磁偶极子、长分子或分子链是怎样在特定条件下形成有序态的，并阐明了当这些物质从有序态过渡到无序态发生了什么事情。例如，在加热磁体时，就会发生这类有序到无序的变化，磁体中的小原子磁体由原来的有顺序排列状态转变为所有小原子磁体都无规则的排列状态。而由无序到有序的转变往往发生在确定的温度下，有时也出现跳跃式的变化，这就是在临界状态下的相变，对于铁磁体来说，这个温度就是所谓的居里点。
德热纳的工作是从磁相转变研究开始的，20世纪六七十年代，他又研究了其它复杂的有序-无序现象。德热纳涉及的领域非常广泛：液晶中有序态到无序态的转变、聚合物链的几何排列和运动中的规律、微乳胶(Micro-Emulsion)稳定性条件等等。这些现象是非常复杂的，以至于以前的物理学家尚不认识它们2
从有序到无序的转变所遵循的普遍规律。德热纳在从事这些研究时，多次获得重要成果，特别是对液晶和聚合物的研究方面。
此外，德热纳还证明了，在差异如此明显的物理系统中，如磁体、超导体、液晶和聚合物溶液的相变，可以采用令人惊叹的通用数学语言来描述。
人类发现液晶已有100多年，起初并未受到广泛重视。20世纪20年代，欧颀（Oseen）提出把液晶作为连续体，研究液晶流体动力学并获得一定的成功。此后又被冷落了30年，直到20世纪60年代，因为有了液晶理论研究的相关知识和液晶在显示方面的应用需求，才引导人们重新开始液晶的研究。此外，到了那个时候，也比较容易得到便于研究液晶状态和性质的典型系统，对普遍理论进行检验。所以在当时液晶便成为材料科学的前沿，这个蓬勃发展的势头至今不减。
1． DNA的一级结构：指DNA分子中核苷酸的排列顺序。
2． DNA的二级结构：指两条DNA单链形成的双螺旋结构、三股螺旋结构以及四股螺旋结构。
3． DNA的三级结构：双链DNA进一步扭曲盘旋形成的超螺旋结构。
4． DNA的甲基化：DNA的一级结构中，有一些碱基可以通过加上一个甲基而被修饰，称为DNA的甲基化。甲基化修饰在原核生物DNA中多为对一些酶切位点的修饰，其作用是对自身DNA产生保护作用。真核生物中的DNA甲基化则在基因表达调控中有重要作用。真核生物DNA中，几乎所有的甲基化都发生于二核苷酸序列5’-CG-3’的C上，即5’-mCG-3’.
5． CG岛：基因组DNA中大部分CG二核苷酸是高度甲基化的,但有些成簇的、稳定的非甲基化的CG小片段,称为CG岛,存在于整个基因组中。“CG”岛特点是G+C含量高以及大部分CG二核苷酸缺乏甲基化。
6． DNA双螺旋结构模型要点：
（1） DNA是反向平行的互补双链结构。
（2） DNA双链是右手螺旋结构。螺旋每旋转一周包含了10对碱基，螺距为3.4nm. DNA双链形成的螺旋直径为2 nm。每个碱基旋转角度为36度。DNA双螺旋分子表面存在一个大沟和一个小沟，目前认为这些沟状结构与蛋白质和DNA间的识别有关。
（3） 疏水力和氢键维系DNA双螺旋结构的稳定。DNA双链结构的稳定横向依靠两条链互补碱基间的氢键维系，纵向则靠碱基平面间的疏水性堆积力维持。
7． 核小体的组成： 染色质的基本组成单位被称为核小体，由DNA和5种组蛋白H1,H2A,H2B,H3和H4共同构成。各两分子的H2A,H2B,H3和H4共同构成八聚体的核心组蛋白，DNA双螺旋缠绕在这一核心上形成核小体的核心颗粒。核小体的核心颗粒之间再由DNA和组蛋白H1构成的连接区连接起来形成串珠样结构。
8． 顺反子（Cistron）：由结构基因转录生成的RNA序列亦称为顺反子。
9． 单顺反子（monocistron）：真核生物的一个结构基因与相应的调控区组成一个完整的基因，即一个表达单位，转录物为一个单顺反子。从一条mRNA只能翻译出一条多肽链。
生物科学的发展历程
生物科学是研究生命现象以及生物体的结构、功能和演化规律的学科，是自然科学中的一门重要学科。从古代对生命现象的简单观察和研究，到现代生物技术的迅速发展，生物科学经历了漫长而辉煌的发展历程。
生物科学的历程可以追溯到古代。早在公元前2500年左右的古埃及，人们对昆虫、鱼类等生物进行了观察和描绘，并尝试了一些简单的动物解剖。在公元前6世纪，古希腊科学家希波克拉底提出了疾病与环境因素的关系，奠定了生物学的基础。
在16世纪和17世纪，科学革命的浪潮席卷欧洲，为生物科学的发展提供了新的契机。科学家们开始使用显微镜观察和研究微生物，揭示了无数微生物存在以及它们与疾病之间的关联。17世纪末，荷兰微生物学家安东尼·凡勃伦首次描述了细胞的观念，并认识到细胞是生命的基本单位。
18世纪，生物科学开始发展成熟。瑞典科学家卡尔·林奈改革了生物分类体系，建立了现代植物和动物分类的基础。法国科学家拉马克提出了自然界中生物的进化理论，为生物进化论的形成打下了基础。英国科学家达尔文在19世纪中叶提出了自然选择的理论，推动了生物进化论的进一步发展。
20世纪是生物科学的深入研究和广泛应用的时期。20世纪上半叶，奥地利生物学家门德尔逊提出了遗传学的基本原理，揭示了物质基因的存在和作用。康奈尔大学的生物学家克里克和华生在1953年提出了DNA的双螺旋结构，揭示了生物遗传信息的储存和传递方式，奠定了分子生物学的基础。
随着电子显微镜、光学显微镜和分子生物学技术的发展，人们对生物体的组织结构、细胞功能以及生物进化规律有了更深入的研究。20世纪末，基因工程和生物技术的快速发展使生物科学进入了一个崭新的时代。基因工程的出现使得生物学与工程学、医学、农业等多个领域融合，为人类社会的发展做出了巨大贡献。
现在，生物科学已经发展成为一个涵盖分子生物学、细胞生物学、遗传学、生理学、生物化学、生态学等多个学科的庞大体系。从对生命基本规律的理论研究到利用生物技术解决人类生活和环境问题，生物科学在各个领域都发挥着重要作用。
