軟 物 質

歐陽鍾燦（中國科學院理論物理研究所北京100080）

文明的發展、歷史的斷代，通常以人類掌握的技術工具之材料來刻畫，如遠古的石器時代、商周的青銅器時代、鐵器時代。這些都反映出人類最初學會使用的是硬物質。同樣地，二十世紀的物理學家一開始也是致力於研究硬物質，像金屬、半導體和陶瓷。掌握這些材料，使大規模集成電路技術成為可能，並開創了信息時代。

二十世紀末即將邁進下一個千禧年的今天，人們自然要問，什麼材料代表着新世紀的特徵？什麼是物理學的最新研究方向？

迎接新世紀的新舉措

新雜誌與新欄目聚焦軟物質

為回應上述問題，物理學界已有不小的舉動。九十年代後期，世界上著名的物理學期刊都競相做出反應。美國的《物理評論》（Physical Review）新辟一個E分冊專門刊登液晶、高分子聚合物、膠體等被稱為“複雜流體”（complex fluid）的研究論文。該分冊原定為每月出版一期，但很快便膨脹為每月出版兩期，篇幅僅次於該刊專登凝聚態物理論文的B分冊。

1998年1月起，有百年歷史的歐洲兩大物理學期刊--法國的《物理學期刊》（Journal Periodique de Physique）與德國的《物理學期刊》（Zeitschrift Fur Physik）合併，定名為《歐洲物理學期刊》（The Euroean Physical journal）。該期刊的B分冊專登凝聚態物理的論文，除傳統的固體凝聚態外，其中有一個全新的欄目--軟凝聚態物質（soft condensed matter）特別醒目。這個欄目所轄學科依次為液晶、聚合物、雙親分子、生物膜、膠體、浸潤與附着以及顆粒介質。此外，其他一些有名的物理學期刊也專辟新欄，接納軟物質。

“軟物質”與諾貝爾獎得主--熱納

發明“軟物質”一詞以代替美國人所稱呼的“複雜流體”，推動這門跨物理、化學和生物學三大學科的交叉學科發展，並使凝聚態物理學向新世紀轉型的第一人，就是1991年諾貝爾物理獎得主--熱納（Pierre－Gilles de Gennes）。

為了吸引學界對這門新興的交叉學科的注意，熱納近年來以軟物質為核心，寫了幾本冠有“軟”字的小冊子，如《軟界面--1994年狄拉克紀念講座》、《固、特、異的軟物質》等。熱納之所以對軟物質情有獨鍾，與他的研究生涯與成就有關。熱納1932年生於巴黎，1957年獲博士學位。最初，他的研究興趣也是集中在硬物質方面，曾在法國薩克雷原子能委員會、美國加州大學伯克利分校從事中子散射與磁性物質的研究，後來在法國歐塞國家科學研究中心建立了著名的超導研究組。1968年起，他轉而研究軟物質，開始了液晶、聚合物物理、浸潤動力學、附着機制的化學物理研究，並成為這些領域的開創者。

與固體相比，這類物質缺少硬的結構，所以稱之為軟物質。但是，“軟”並不是這類物質的主要特徵。熱納對液晶與高分子聚合物以及膠體的研究顯示，這些軟物質因微弱的外力作用而改變狀態的現象，與固體金屬的超導相變極為相似。這使他漸漸對相變、序參數等概念有深刻的認識，並因此奠定了用統一的方法處理複雜系統的基礎--這也是瑞典皇家科學院1991年在諾貝爾物理獎公告中特別肯定的。公告讚揚他證明了自然界從簡單系統（如超導體）到複雜系統（如液晶、聚合物）都存在統一的相變規律。

熱納徵服軟物質的成就體現了：物理學與其他學科交叉的創新性研究，不僅僅在於直接利用物理學的新技術、新方法去研究其他學科的難題，更在於運用物理學認識自然規律的統一、優美以及定量化的思路去解決看來是分散的、複雜的以及長期被局限於定性描述的其他學科的難題。這也說明物理學與生物學的交叉研究不等同於現在的生物物理研究。

新的交叉學科研究中心的建立

二十一世紀被認為是生命科學的世紀，從物質劃代角度來看，這也是軟物質的世紀。如果沒有軟物質，生命也不復存在。任何生物結構（包括DNA、蛋白質和生物膜）都是建築在軟物質的基礎上，因此，在向生命科學衝刺的新世紀來臨之際，學科交叉（這是由軟物質研究決定的）正在成為科學研究的熱點。為組織攻關力量，美國一些著名大學正在建立物理學、化學與生物學交叉的研究所與研究中心。

1999年初，英國《自然》周刊（Nature）和美國《科學》周刊（Science）對此都作了專題報道。據報道，哈佛大學計劃5年內投資1．5億至2億美元，用於建立新的科學項目，這些項目特別強調學科的交叉。其理學院院長強調說：“這些新研究項目將跨越系與系的界線，並促進科研與教學向交叉學科方向發展。”據Science的詳細報道，計劃建設的5個新交叉學科研究中心有兩個已通過論證並開始籌建，它們是基因信息學與蛋白質信息學研究中心和成象與介觀結構研究中心。前者的研究隊伍將來自生物學、化學、統計科學、計算機科學以及工程設計等專業。而後一個中心，也叫納米技術中心，是由物理學、化學和工程技術專業人員組成，主要研究納米結構成象、介觀電子學、微機械，光纖通訊、生物材料和藥物設計。其首席專家之一是熱納在其諾貝爾演講中提到的專門研究軟物質的理論物理學家納爾遜（D．Nelson）。

筆者曾在1993年春天訪問過納爾遜的研究室，參加他主持的1992－1993年度的洛布（M．Loeb）物理講座。被邀請來做講座的是早先在法國研究生物膜的物理學家萊布勒（S. Leibler）（當時他已完全轉到普林斯頓大學生物系工作）。該講座分三講，分別是“生物膜--起伏表面的自組織”，“分子馬達與隨機機械以及微管的規律性”和“自裝配--細胞循環與分裂”。在物理系舉辦生物專業味道如此濃厚的講座，足以證明哈佛大學從九十年代初期就對物理學與生物學的交叉領域非常重視。

那次講座距今不到10年。納爾遜終於迎來了其盼望已久的物理學與生物學交叉學科研究中心的建立。這個中心的宗旨是，從事生物材料到納米結構材料技術的研究，證明軟物質不但是生命本身重要的基石，在人類未來科技發展中也扮演重要角色。

軟物質為什麼能概括生物凝聚態。

軟物質：弱力強變化，

把軟物質作為物理學與生物學交叉領域的基本概念，是與軟物質的基本定義聯繫在一起的。在日常生活中，人們隨時都可觸及具體的軟物質，如橡膠、肥皂泡、膠水、洗潔精、油和水等。但在科學上對它們的統一刻畫，實際上蘊含着科學家經過幾百年艱苦研究才逐漸了解和深刻認識。

熱納在《固、特、異的軟物質》一書中以橡膠為例，給軟物質下了六個很深刻的定義。他指出，2500年前，亞馬遜河流域的印第安土著就懂得用橡膠汁塗在腳上做靴子，但這種靴子只能穿一天--由於空氣氧化，純天然的橡膠很快就破碎了。直到1839年，美國人固特異發明了橡膠硫化處理技術，才使橡膠成為堅固耐用的材料。橡膠也就成了第一個實現工業化生產的聚合物。空氣中的氧使橡膠長鏈分子斷裂，而與氧同族的硫元素僅僅比氧的化學活性略差一點，卻使長鏈分子結合得更好，這就是軟物質的奇異特性：弱力引起強變化。

熱納進一步指出，天然橡膠的每200個碳原子中，只有1個原子與硫發生反應。儘管化學作用如此微弱，卻足以使物質的物理性質發生從液態到固態的巨大變化，膠汁變成橡膠。這證明了有些物質會因微弱的作用而改變狀態，就如雕塑家以拇指輕壓就能改變粘土的外形使之成為一件高貴的藝術品一樣。這也正是軟物質的基本定義。

千百年來，人們就知道。一點骨膠可以讓墨汁維持多年的穩定，一點滷汁可以使豆漿變成豆腐。日常生活中，幾滴洗潔精會產生一大堆泡沫，一顆鈕扣電池可以驅動液晶手錶工作幾年……這些例子都展現了軟物質的神奇本質：只要提供相對微弱的作用力，它們就可以發生改變--從形狀到性質的改變。生物系統的神奇之處也體現在這裡：人們的肉眼能夠感受到幾千光年之遙的星系發出的光；一條嗅覺靈敏的狗，可以根據腳印中殘留的氣味跟蹤某個人，並且在鬧市中把這個人的蹤跡跟其他人區別開來。生物系統展示着軟物質的本質。

液晶、雙親分子和生物膜

軟物質所體現的弱作用強變化的特性，與其組成的分子有關。用作液晶顯示器工作介質的絲狀相（曾譯作向列相）液晶分子，是一類長形有機分子，它由一個硬性中間部分與兩個分別處於端部的柔性碳氫鏈組成。如果某種分子全由中間硬性部分組成，就無法成為液晶，因為這種物質在常溫下將會形成十分堅固的固態晶體，而不會成為液體。因此，液晶分子兩端的彈性長鏈是克服分子范德瓦耳斯吸引．力必不可少的緩衝器。用熱納的話說，這是萬中選一的分子。分子的中間硬性部分使液晶體現晶體的各向異性。如光的各嚮導性、介電的各嚮導性。把軟硬截然不同的部分融入一個分子之中，是軟物質具有對弱力作用產生強烈變化物理原因。

把這種分子按螺旋方式排列在幾微米厚的玻璃盒中，然後用幾伏的低電壓就可以控制和改變盒內液晶分子的排列（當然也改變其光學性質），這就是“扭曲絲狀相液晶顯示器”的基本工作原理。這種顯示器消耗的能量微乎其微，這是軟物質對當前信息時代的巨大貢獻。如果沒有這種極為節能的顯示屏，手將電話、筆記本電腦、移動式電腦終端以及車載衛星定位器便不可能存在。信息時代是硬物質（硅半導體）與軟物質（液晶）巧妙結合的時代。熱納把提出扭曲液晶顯示原理的德國物理學：家黑爾弗里希（W．Helfrich）稱為“當代偉大的科學家”。

熱納在其諾貝爾獲獎演說中就表揚過黑爾弗里希，在那裡不是指黑氏在液晶顯示方面的貢獻，而是指其對生物膜、紅細胞形狀研究所作的貢獻。液晶的奇妙，得益於其分子融有軟硬截然不同的性質。組成生物膜的脂質分子與組成洗潔精、肥皂的界面活性劑分子也體現着物質的組成分子之特徵--很靈巧地在兩個極端物理性質之間“遊走”。

這類分子是“性格分裂”的，它的一端是羧基，具有強烈的親水性，稱之為極性端。極性端以外是流水的脂肪鏈結構，通常由10～20個碳氫基團組成，流水意味着親油，因此這類分子統稱為雙親分子。當雙親分子溶於水中，藉助“雙親性質”，它們可以形成浮在水面的單層膜：親水端快樂地浸在水裡，疏水的脂肪鏈則把自己晾在水面上的空氣中，就如同南極浮冰上的企鵝。在水中，雙親分子則形成雙層膜：疏水脂肪鏈很樂意和有同樣傾向的夥伴靠在一起，躲在中間；而極性端則向外形成親水界面，舒適地泡在水中。雙層膜和水分子層平行交錯壘在一起就形成肥皂泡。雙層膜彎曲起來，可以形成一個池。人體細胞正是以這種方式圍成的，所以脂雙層膜是生物膜的大致結構。當然實際的細胞膜還穿插有蛋白質和糖分子。

紅細胞的雙凹碟形

作為液晶顯示物理學家，黑爾弗里希同時在研究生物膜，尤其是紅細胞的形狀方面有重大貢獻。這體現着物理學與生物學交叉的創新點不僅僅是研究生物系統的物理現象，而是用物理學的方法去解決生物學面臨的重大挑戰與長期解決不了的難題。這樣的難題在紅細胞身上就有好幾個，如它們為什麼呈現規則的雙凹碟形狀？在血液里它們為什麼不粘連在一起？

對第一個問題，自然主義的功能學派認為，雙凹碟形（而不是球形）保證紅細胞有很強的形變能力，穿入比其半徑小很多的毛細血管以到達血液循環系統。黑爾弗里希則不滿足於這種“需要則存任”的功能說，他把脂雙層膜與彎曲的液晶層聯繫在一起，於1973年提出生物膜的彈性自由能概念，並於1976年用數字電子計算機證明，雙凹碟形是使生物膜彈性自由能達到最小的一種狀態。這個問題也給筆者提供過機遇，1987年，筆者與黑爾弗里希從生物膜彈性自由能導出過一個相當複雜的曲面方程，1993年筆者與日本合作者從這個方程出發，發現一個由對數與正弦函數構成的解析解，其形狀正是紅細胞的雙凹碟形狀。

第二個問題涉及生物學中一項極為重要的課題--細胞間的接觸問題。黑爾弗里希研究一堆平行生物膜的熱漲落，從玻爾茲曼能量均分定理證明膜與膜之間存在着與距離3次方成反比的熱斥力。正是這種漲落引起的斥力，抵消了膜與膜之間的范德瓦爾斯吸引力（也是與距離3次方成反比），這才使細胞不會粘連在一起，保證了生命系統的有序性。

紅細胞形狀的發現已有200年歷史，到了近20年才出現一個完整的解釋，這還是靠“軟物質”才獲得的。黑爾弗里希紅血球理論也是到了九十年代才被美國的分子生物學教科書載入。這還算是幸運的，由於傳統的隔閡，生物學家對於物理學家用數學描述生物系統常持懷疑態度，因此歷史記載了許多令人沮喪的事例。許多熱情的物理學家解決了一些生物學問題，但卻發現生物學家對此十分漠然。這種阻礙學科交叉的障礙如此嚴重，不得不令對生物學熱心的物理學家開闢自己的學科交叉領域與發表相關論文的園地，這也是上面提到的開設新物理雜誌的新專欄的原因。

“軟物質”或“軟凝聚態”是物理學家自行開發的新領域與新方向。值得慶幸的是在世紀之交，從決策者到科研教育機構都相當願意去克服那些曾經阻礙學科交叉的障礙。

事實上，對生物學熱心的，不僅僅是物理學家與化學家，數學家對由生物膜形狀方程提出的數學問題已開始表現出極大的興趣，在中國科學院應用數學所、香港中文大學數學系與北京大學數學系，已有青年研究人員從事這類問題的研究。軟物質的確也為數學家開創了一片新天地。

單分子物理學和單分子生物學

自生物膜構型從九十年代進入抽象的數學研究以來，在這個領域開展研究的物理學家開始把眼睛盯向分子生物學的更深層次--生物大分子的研究，這也是DNA與蛋白質被納入軟物質或軟凝聚態研究範圍的原因。

這兩種分子最簡單的物理模型，是把它們看成柔性彈性高分子聚合物。四十年代，化學家曾把高分子鏈的曲率平方作為聚合物鏈的彈性自由能，提出所謂的蟲鏈模型。自從五十年代DNA雙螺旋結構被發現後，為說明DNA扭結拓撲結構，數學家懷特為閉合帶的環繞與扭結拓撲結構提出的計算公式，便被當成拉格朗日乘子加到蟲鍵模型的彈性自由能上，構成DNA的彈性自由能。這個模型在分析DNA的實驗，特別是其拓撲結構發生變化的實驗，得到深刻的應用。

1971年，Ⅰ型和Ⅱ型拓撲酶的發現是這個模型的成功範例。但這個模型只在“粗粒化”（即拓撲結構）上描述生物大分子DNA的結構。到八十年代後期，基於光的力學效應和激光冷卻技術，發明了光鑷技術，人們可以對單個DNA分子施以皮牛頓（10-2牛）級的力作用。因此，在近幾年，Nature和Science刊登出許多論文，報道單個DNA分子在光鑷拉力作用下的非線性彈性拉伸應變實驗結果。這為研究單個DNA分子構型提供了實驗基礎，從而逐漸成為一門軟物質凝聚態物理中的新學科--單分子生物學或單分子物理學。

生物大分子的自由能是由ｋＢＴ來表徵，這裡ｋＢ是玻爾茲曼常數，Ｔ是溫度（一般是室溫）。生物大分子的空間構型的尺度是在納米量級，這就容易理解對生物大分子的作用力必須是皮牛頓級的。單分子生物學與單細胞力學也可以稱為皮牛頓力學，這也是從事激光冷卻的諾貝爾物理學獎獲得者朱棣文被吸引到單分子生物學的實驗研究中的原因。

有了這些實驗研究作基礎，研究軟物質凝聚態的理論物理學家，正在緊鑼密鼓地展開比蟲鏈模型更深入的生物大分子理論模型的研究。中國科學院理論物理研究所一部分研究生與博士後也不失時機地加入這個國際競爭，在Physical Review等刊物上發表一系列關於DNA分子模型的研究論文。他們最近發表在1999年5月31日出版的《物理評論決報》（Physical Review Letters）上的關於DNA非線性彈性應變的論文，給出了幾乎與近年發表在Science等雜誌的實驗曲線都符合得很好的理論曲線！

除DNA外，蛋白質摺疊也是當前單分子生物物理學最熱門的課題之一。理論生物物理學家把組成蛋白質的20種氨基酸分為親水和疏水兩部分，把它們無數種隨機構型挑出來，使親水部分儘量暴露在結構的表面（以利於與水接觸），把疏水部分儘量藏於結構內部，這就獲得了蛋白質摺疊的物理途徑--用蒙特卡羅方法確定給定氨基酸序列的蛋白質摺疊結構。在這方面的研究中，美國洛克菲勒大學物理與生物交叉研究中心的中國青年留學生李浩教授，做出很優秀的開創性工作，被海峽兩岸的理論生物物理工作者所重視。

生命系統的天然生物材料，為適應各種功能和環境而構成了複雜的多樣性。其複雜性是傳統的天然材料如金屬、陶瓷等無法比擬的。經過生物化學幾十年的研究，現在已發現，其錯綜複雜的結構是由幾種基本化合物構成的。這幾種化合物就是水、組成DNA和RNA的核耷酸（4種）、組成蛋白質的氨基酸（20種）、糖和生物礦物（如骨頭）等。

生物材料的複雜性，主要表現在這幾種基本化合物自組裝方式的多樣性。研究它們的分級和自組裝結構的機理，是軟物質科學的中心任務，也是物理與生命科學交叉、凝聚態物理向新世紀發展轉型的重要方向。中國理論物理學界已開始重視這個發展趨勢，由原來研究非線性科學的一部分人率先轉到這個尚待開發的處女地，開拓了一些新領域，取得了一定的成果。有的研究方向，如基因信息學的研究，則已深入到與生物學界同一方向的研究密不可分的境界，這是相當可喜的。但從基金與人員的投入來看，中國仍與國際水平有相當大的差距，這值得廣大物理工作者深思。

（本文轉南《科學》雜誌1999年第五期）