物质结构的层次和尺度

基础科学

物质结构的层次和尺度徐光宪北京大学化学与分子工程学院教授

中国科学院院士

北京

在复杂性科学和物质多样性研究中尺度效应至关,要。尺度的不同常常引起主要相互作用力的差异导致物质性能及其运动规律和原理的质的区别通常把尺度粗分为宏观微观和介观但微观的含义有两种生物学上的微观通常是指肉眼看不见用光学显微镜放大几百倍可以看见的东西如把微生物细菌细胞等称为微观生命它们的尺度大致在拌到拌之间而物理学和化学中的微观是指原子和小分子的尺度即一的尺度为避免混淆笔者建议把前者称为“显微观一”后者称为微观”介观是指介乎微观与宏观之间鉴于微观有两个定义故介观的定义也不难明晰笔者认为物质尺度的划分应该先考虑宇宙间物质究竟有多少层次再根据物质的层次结构来划分尺度因此本文内容分部分宇宙进化的个层次结构物质结构的层次和尺度尺度的划分尺度效应的重要性一、宇宙进化的个层次结构笔者建议把宇宙进化分为个层次第一层次是物理进化从宇宙大爆炸开始到万年是宇宙的婴儿时期按照宇宙大爆炸理论大爆炸开始时处于超高温超高密的超统一场开始后秒发生超统一相变超统一场分化为引力场和大统一场时间和空间也开始分化到秒发生大统一相变大统一场分化为强场和电弱场夸克和电子等轻子也分化出来到秒发生电弱相变弱场和电磁场分化出来到秒夸克合成中子和质子到分钟中子和质子合成氦氛等轻核到万年合成原子以上是物理进化第二层次是天体演化从万年到现在的巧亿年宇宙由原子云凝聚成星云星系和现在夜空中灿烂的星星这是宇宙的青春时期第三层次是地质演变从亿年前地球诞生开始到现在是地球的青年时期第四层次是化学进化从大爆炸后万年原子

形成开始到亿年前微观生命开始这是宇宙的幼章时期这一层次的化学进化是从原子到生物大分子从尚无生命的生物大分子到有生命的单细胞

微生物是由化学进化到生物进化的飞跃

当有

了

人类以后化学进化还要发展下去这就是不断人工合成新的分子和新材料现在已有《多万种大概每隔年要翻一番第五层次是生物进化从亿年前直到现在第六层次是社会进化从多万年前有猿人

开始直到现在第七层次是人工自然进化包括农业工业信

息产业包括计算机电讯网络等生物工程产业

等第八层次是由物质产生精神形成文化艺术

科学技术等又由精神反作用于物质。这个层次是

人脑信息自然进化的层次

。

这个层次构成整个宇宙的进化每一层次

的学问依次为物理学天文学地质大

气海洋环境等地球科学化学生物学

医

学等生命科学社会科学技术科学工程科学数学和系统科学哲学宗教思维和认知科

学语言学和文学音乐艺术等这些学问构成

人类

文化和精神财富的总体

二、物质结构的层次

和

尺度

宇宙间物质的结构从小到大可分为个大层

次即原子及其以下的层次分子及其聚集态的层

次生物的层次地球的层次和宇宙的层次原子及原子以下的层次和尺度

时间和空间都有最小的极限分别称为普

朗克时间和普

朗克长度

‘普朗克时间【了

秒

二“秒

称普朗克长

度

二

科技导报比它们小的时间和长度是没有意义的因为那

时时间和空间还没有分化出来

轻子电子拜子和中微子和夸克的层次它们的尺度是

中子和质子的层次它们的尺度是

原子核的层次它们的尺度是到原子的层次它们的尺度是与原子核的尺度相差到个量级所以原子的结构是十分空旷的如果把它放大沪倍作个类比那么个原子就好比个米直径的圆形大厅大厅

中间

只有粒芝麻大小毫米尺度的原子核和若干粒

细菌大小微米尺度的电子其它已知粒子除中

微子外之所以不能进人到这个十分空旷的大厅中去是由于原子的电子轨道的量子化和巨大的库仑

及拆力年月日的美国《

》和日的《‘》报道了意大

利罗马大学的科学家小组名作者中有名来自中国的高能物理所第一作者是发现

的粒子,一,,。、其质量

可能为质子质量的倍但没有电磁相互作用

只

有弱相互作用其作用距离只有‘它能进

入

任何由原子组成的物质如人无人之境这一发现

如被证实将解决世纪的科学难题之一

“占宇宙

总质量的暗物质究竟是什么分子及其聚集态的层次和尺度分子是一种可以在通常条件下独立存在具有

一定化学特性的物质微粒除惰性气体原子可以生

成单原子分子外其它元素的分子则是由个或

多

个原子通过共价键或共价配键连接而成从原子分子到分子聚集态可以分为以下层次

单原子分子化学元素中只有惰性气体原子可以在通常条件下独立存

在生成单原子分子它们的尺度在纳米左

右

小分子分子量在以以下的分子通常

称为小分子它们的尺度在一纳米之间高分子高分子是由单体重复聚合生成的大分子分子量从几千到几十万甚至几百万所含

原子数一般在几万以高分子的尺度从几纳米到

几十纳米高分子纤维的尺度可以长达几百纳米以上生物大分子生物大分子是有生物

活性的

大分子如蛋白质等人体中的蛋白质

约有万种它们的尺度在几十纳米量级表列出各类生物的分子所含的碱基对数目和

分子量人类分子含有亿碱基对大约以刃

亿个原子生物大分子的尺度范围十分宽广

从几纳米到几百纳米

表生物

哺乳动物包括人类

酵母噬菌体

罗

入

各类生物的分子

一丽碱基对蔽了万圣事嘎

质拉,

旦丝碑卫犷坦匕仁

非生物大分子

一一

是指没有生物活性的大分子例如年饭岛首先合成的碳纳米

管它是由层状结构的石墨片卷成的无缝空心管有多层的也有单层的其直径约在纳米至几十纳米之间碳纳米管的长度可用化学方法剪切例

如直径纳米长为纳米的碳纳米管约含有《旧

碳原子分子量为刃碳纳米管有长达

的其分子量就有几十

亿

超分子超分子是个或个以上分子通过非共价键的分子间作用力结合起来的物质微粒这些分子间作用力包括范德华引力各种不同类型的

氢键疏水疏水基团相互作用疏水亲水基

团相

互作用亲水亲水基团相互作用静电引力极化作用电荷迁移分子的堆积和组装位阻和空间效应等等相对于共价键而言分子间作用力至今研

究得很不够是今后要重视的方向

分子聚集体

生物的层次

细胞组织器官系统生物

个体

地质的层次

宇宙的层次和尺度

卫星的层次

行星的层次地球的直径是

光秒恒星的层次太阳的直径是

光秒星系的层次银河系的形状像一个铁饼直

径万光年厚约仪光年星系团的层次尺度在《万光年的量

级超星系团的层次尺度在亿光年的

量

级

最遥远的类星体距离地球约亿光年

三、尺度的划分

宇观是指人们用各种

波段

的天文望远镜及航天飞机上的各种现代宇宙探测

仪器能观察到的宇宙尺度即从光秒《旧到巧亿光年在这一尺度范围主要作

用力是万有引力和电磁作用力主要学科是宇宙学天文学牛顿力学和广义相对论遥观、叩是指人们用地球轨道上的人造卫星的遥感技术画能够观察到的尺度大致从到所以把遥

观的英文译名定为叩这个

尺度范

围的主要作用力也是万有引力和电磁作用力主要

学科是地球科学地理学遥感学经典力学

宏观叩是指人眼能够直接观察

到的尺度大致从到在这个尺度范围主要作用力也是万有引力和电磁作用力主要学科是经典力学经典物理学经典化学经典生物学、工程科学技术科学等显徽观伽一而叩是指以放大几百倍的光学显微镜为观察手段的尺度大致从拌到拌在这个尺度范围主要作用力是万有引力电磁作用力以及由表面张力包含毛细管作用等引起的效应主要学科是经典力学微生物学显微医学包含显微外科病理分析等微电子技术等等介观是指介乎显徽观和微观之间的尺度大致从,一侧知所以叫它纳米观一咖更为确切这个尺度可用扫描隧道显微镜原子力显微镜等来观察它的范围虽然只跨越两个量级但非常重要因为它的特征是量子状态和经典状态的交叉和混合因而赋予纳米分子纳米材料纳米器件等许多特异的性质和功能有广阔的应用前景在这个尺度范围主要作用力是万有引力电磁作用力以及由表面张力平均自由途径等引起的效应主要学科是纳米科学和纳米技术在纳米科学领域量子力学和经典力学同时起作用在理论探讨上有特殊难度‘橄观是指原子和小分子的尺度范围从一一在这个尺度范围内的主要作用力是电磁作用力具有量子化和波粒二重性的特征主要学科是量子力学相对论量子力学原子物理分子物理量子化学单分子化学等,皮米观尺度范围为吸〕一一即硬射线波段和软波段介乎原子和原子核之间的尺度这个尺度现在研究得比较少将来在对超固体中子星白矮星等超高密度物质的结构研究中要涉及这一尺度范围飞米观和亚飞米观前者是指原子核的尺度从伽一一后者是指夸克和电子的尺度以及超弦理论模型和宇宙大爆炸理论中更小的尺度直到跨个量级在这个尺度范围主要作用力是电磁作用力强相互作用力弱相互作用力具有色荷对称性量子化和波粒二重性等特征主要学科是量子色动力学规范场论超弦理论、宇宙大爆炸理论等皮米飞米和亚飞米观也可总称为渺观以上个尺度层次共跨个量级四、尺度效应的重要性本文开头就叙及在复杂性科学和物质多样性

研究中尺度效应至关重要尺度的不同常常

引

起

主要相互作用力的不同导致物质性能及其运动规

律和原理的质的区别下面举一些例子说明尺度大

小对性能的影响

纳米金属粉有异乎寻常的物理化学性质和催化性质。如金的熔点为℃纳米金的融化温

度却降至℃银的熔点为,印℃而纳米银为

℃纳米铂黑催化剂可使乙烯催化反应的温度从

曰挑】

℃

降至室温

乳状液如牛奶是水包油乳有的获粒分散在水相中的混合物。这些顺粒能散射可见光所以不透明但当颗粒的尺度小于纳米即可见光

波长为礴一纳米的时它们就不能散射可见光使得乳状液变得像真溶液一样透明清亮这就是微乳状液近余年来利用微乳状液作为有机相来萃取金属或分离药物已成为当前萃取化学

和萃取化工的前沿

电子或声子的特征散射长度即平

均自由途径吧系纳米级。当纳米微

粒的尺度小于此平均自由途径时电流或热的传递

方式就发生质的改变

‘’‘’

与徽粒运动的动相对应的波长入二通常也在纳米级。由此

产

生

许多所谓“量子点”的新现象“’‘’“’小尺度体系的热力学性质。文献〔中讨论

到热力学性质包括相变和“集体现象

”如铁磁性铁电性超导性和熔点等与

粒子尺度有重要的关系当尺度介于十分之几到纳米的量级即处于量子尺度和经典尺度的模糊边

界加监巧时热运动的涨落和布朗运动将

起重要的作用前面提到的纳米金属粉熔点

降低的

原因可能在此

纳米粒子的比表面很大由此引起性质的不

同。,当代信息技术的发展推动了纳米尺度礁性

以的研究‘’由几十个到

几

百

个

原子组成的分子磁体表现出许多特性如

一印

以上列举的由尺度效应产生的质变常常发生

在纳米的量级这就是纳米科学和纳米技术的重要

性与日俱增的根本原因「川‘“’

科技导报