軟物質導論
我之前有在中央大學教軟物質導論, 目的是讓學生認識這個領域. 軟物質一詞是 1991 年物理獎得主 Pierre-Gilles de Gennes 在他諾貝爾獎演講時提出. 在他提出這個詞之前, 這領域有時被稱做複雜流體(Complex Fluids), de Gennes 說那是個很難聽的名字, 所以年輕學生不願意接觸. 不管名詞的新舊好聽難聽, 或者為了趕流行, 再冠上奈米兩個字. 在物理, 這個領域是越來越被重視, 或者說這領域的研究已經有越來越大的影響力.
有人給軟物質物理的定義是沒有量子力學的凝態物理, 這樣定義當然包含很廣的領域, 例如顆粒物質(granular materials). 我個人常引的定義是系統的能量範圍是幾 kBT (熱動能, 室溫300K 時約為 0.025 eV). 一般而言這個領域研究的系統有膠體粒子(colloidal suspensions), 高分子 (polymers), 界面活性劑(surfactants), 這些系統的特徵就是它們是所謂的中觀尺度(mesoscopic) -- 比小分子如水(~0.3 nm)還大,而比裝的容器還小 - 從幾奈米(nm)到微米(mm)尺度. 這些系統有個驚人的特性, 就是能自組裝(self-assemble)成更複雜的結構. 而很多自組裝的相變化是 universal, 與組成分子的化學結構無關. 因此物理學家注意到這些系統, 企圖了解裡面的機制.
目前國內物理界在這領域的人並不多,比較有規模的研究群組就在中央研究院與中央大學. 但在國外, 這是一個很活躍的領域, 並且跨了很多科系--研究人員有在物理系, 化工系, 材料系, 機械系, 生物工程, 醫工,..等. 而這領域的邊界還不停的在拓展, 其中一個值得注意的延伸是生物物理, 有越來越多從這領域的知識, 工具與人在生物物理上做出貢獻, 而一個有名的生物物理學家曾說過, "Biophysics is soft matter with ATP."(我個人覺得這個論點有點過於狂傲, 但是這是化約論者的信仰.) 一般生物系統的尺度正是軟物質研究的尺度, protein 是一種 colloidal suspension, DNA 是 polymer, lipids 是 surfactants. 細胞如何維持它內部某種程度的有序的結構與作用, 還有細胞裡充滿了"能量" ATP, 會主動運動的分子, 在這種非平衡態下許多分子產生的行為, 到目前科學家了解的非常少. 而我個人相信這會是物理的重要挑戰.
這個網頁主要是從我備課中比較適合一般閱讀的筆記整理出來, 我有空會慢慢添加.