洪曉鐘 白利斌 賈鵬英

(河北大學物理科學與技術(shù)學院 河北 保定 071002)( 河北大學化學與環(huán)境科學學院 河北 保定 071002)(河北大學物理科學與技術(shù)學院 河北 保定 071002)(收稿日期：2016-09-09)

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軟物質(zhì)的物理實驗在普通高校教學中的推廣*

洪曉鐘 白利斌 賈鵬英

(河北大學物理科學與技術(shù)學院 河北 保定 071002)( 河北大學化學與環(huán)境科學學院 河北 保定 071002)(河北大學物理科學與技術(shù)學院 河北 保定 071002)(收稿日期：2016-09-09)

軟物質(zhì)物理學的蓬勃發(fā)展已使其成為一個特色學科,因而有必要在普通高校的物理教學中開設有關(guān)軟物質(zhì)物理方面的課程.有鑒于此,近5年來我們嘗試在普通物理實驗教學中開設了一些具有代表性的軟物質(zhì)物理實驗,以期將軟物質(zhì)物理學逐漸融入到相應的理論和實驗教學中,拓展學生的視野.首先對比了國際和國內(nèi)的軟物質(zhì)物理實驗室的建設情況,然后介紹了一些與傳統(tǒng)物理學結(jié)合緊密的典型軟物質(zhì)物理實驗.在此基礎上,闡述了在普通高校物理實驗中引入軟物質(zhì)物理實驗的必要性及意義,旨在使大學生在物理方面的多元化的訓練,從而全面提升綜合素質(zhì),強化軟物質(zhì)物理的研究隊伍.

軟物質(zhì) 物理實驗教學 交叉學科

1 軟物質(zhì)物理學的重要性

軟物質(zhì)是指物態(tài)介于固體和理想流體之間且兼具固態(tài)和液態(tài)特性的物質(zhì),因而也被稱作軟凝聚態(tài)物質(zhì)或者“復雜流體”[1].1991年,法國物理學家德熱納(De Gennes P.G) 在其諾貝爾獎致辭中首次把“復雜流體”更名為“軟物質(zhì)”,并從此開啟了軟物質(zhì)領(lǐng)域的迅速發(fā)展[2].軟物質(zhì)是凝聚態(tài)物質(zhì)中的重要組成部分,其結(jié)構(gòu)和物態(tài)變化的驅(qū)動力主要包括熵以及疏水、親水、氫鍵等類似的弱相互作用,因而使其呈現(xiàn)出“弱刺激-強響應”的特性[3].軟物質(zhì)主要包括液晶、聚合物、兩親性分子、膠體、膜、泡沫、蛋白質(zhì)和顆粒物質(zhì)等等,其最為直接的例子是日常生活中的牛奶、飲料、果凍、洗滌劑、乳液、化妝品等等.顯然,軟物質(zhì)在自然界中廣泛存在,并與很多物理化學過程密切相關(guān),因而引起了越來越多的物理學家的廣泛關(guān)注,并成為物理學與其他學科交叉融合的研究前沿.

毋庸置疑,鑒于軟物質(zhì)結(jié)構(gòu)驅(qū)動力的特殊性,軟物質(zhì)的聚集態(tài)和相態(tài)結(jié)構(gòu)既與傳統(tǒng)物理學理論直接相關(guān),同時又包含有別于傳統(tǒng)物理學的新內(nèi)涵.因而,如何建立傳統(tǒng)物理學與軟物質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)值得深入探索和研究,也亟需在大學物理學本科教育中增設相關(guān)的課程,以期更好地培養(yǎng)相關(guān)人才.目前,一些發(fā)達國家的研究機構(gòu)和大學中有關(guān)軟物質(zhì)物理的基礎理論和實驗已經(jīng)處在較高的水平上[4].相對而言,國內(nèi)僅有少數(shù)科研院所開展了軟物質(zhì)物理的研究和教學,而在絕大多數(shù)普通高校的物理學教學中,則缺失了有關(guān)軟物質(zhì)物理的理論和實驗教學內(nèi)容.

為了彌補這一缺失,提高物理教學中有關(guān)軟物質(zhì)物理的份額,在實驗教學中開展具有代表性的軟物質(zhì)物理實驗十分必要.同時,這一目標也為21世紀的物理教學提出了較高的要求.

2 普通高校開設典型軟物質(zhì)物理實驗的意義

2.1 典型的軟物質(zhì)物理實驗在普通高校中開展的意義

物質(zhì)物理涉及的領(lǐng)域很廣,在以歐、美為代表的一些發(fā)達國家中,絕大多數(shù)高校的物理學院均已建立了有關(guān)軟物質(zhì)物理的穩(wěn)定研究方向,研究隊伍的規(guī)模和層次不斷壯大和提高,從而形成了物理、化學、生物的一個交叉學科.而在國內(nèi),軟物質(zhì)物理的研究雖然有了一定的基礎,但與國際水平仍有著巨大的差別.為了表述清晰起見,表1中例舉了國際上一些國家的軟物質(zhì)物理實驗室的構(gòu)建情況[4].

表1 國際上一些國家的軟物質(zhì)物理實驗室的構(gòu)建情況

相對于歐美等發(fā)達國家而言,我國軟物質(zhì)物理的基礎研究相對落后.正如權(quán)威學者所指出的那樣[4],在我國軟物質(zhì)領(lǐng)域面臨研究機構(gòu)少、研究人員缺乏、研究領(lǐng)域偏窄以及研究工作薄弱等等一系列問題.造成這些問題的主要原因是人們對軟物質(zhì)物理學科的理解和認識存在著滯后、對其發(fā)展方向和意義的認識有待提高,同時各個學校的物理系對軟物質(zhì)物理的宣傳和介紹較少.目前為止,僅有中國科學院和幾所重點大學成立了以軟物質(zhì)為主要研究方向的穩(wěn)定研究團隊和實驗室,而絕大多數(shù)學校的物理系尚未重視軟物質(zhì)物理的教學、實驗和研究,或者根本未開設相關(guān)的課程.因此,就目前的發(fā)展趨勢而言,我國在軟物質(zhì)領(lǐng)域的發(fā)展水平要想躋身于世界前列,應從基礎做起.有鑒于此,在普通高校的物理教學中開設典型的軟物質(zhì)物理實驗就顯得尤為重要.

2.2 典型軟物質(zhì)物理實驗在普通高校中開展的意義

相對于傳統(tǒng)物理學中的普通物理教學而言,軟物質(zhì)物理能夠把很多傳統(tǒng)物理學的概念更加直觀地呈現(xiàn)出來.例如在高分子稀溶液理論中[5,6],高分子鏈與溶劑的有效相互作用可以通過所謂的θ溫度(也稱為Flory溫度或理想溫度)予以直觀地說明:

(1) 當溶液的溫度T>θ溫度時,高分子鏈的排斥體積增大,進而導致高分子在溶液中呈現(xiàn)伸展狀態(tài),此時溶劑表現(xiàn)為為良溶劑;

(2) 當高分子溶液的溫度T=θ溫度時,此時鏈段-鏈段以及鏈段-溶劑之間的相互作用也相等,從而使得溶液中高分子鏈呈現(xiàn)出無擾狀態(tài),相應的排斥體積為零;

(3) 當溶液的溫度T<θ溫度時,高分子鏈的排斥體積為負值,因而鏈段之間表現(xiàn)為相互吸引,致使高分子鏈段發(fā)生聚集而析出,此時溶劑表現(xiàn)為不良溶劑.在實驗教學中,通過相平衡方法和光散射方法可對體系的θ溫度進行測定[7],使學生們形象地理解有關(guān)有效相互作用的調(diào)控情況.事實上,這一簡單的溶液體系可以充分地將熱力學部分有關(guān)溶液特征予以清晰地說明,從而更好地理解如拉烏爾定律和亨利定律等內(nèi)容[8].

鑒于軟物質(zhì)在自然界中普遍存在的特性,在普通高校中開設軟物質(zhì)物理實驗不僅可以培養(yǎng)學生對于軟物質(zhì)物理的學習興趣,同時也可拓展學生們的學術(shù)視野,從而吸引學生們投身到有關(guān)軟物質(zhì)物理的研究上來.由于軟物質(zhì)領(lǐng)域涉及到數(shù)學、物理、化學、材料工程等多學科，是一個典型的多學科交叉、融合的學科.因此,它既需要數(shù)學和物理學科能夠提供將新的概念和理論方法用于其中,同時也需要化學和材料學科進行實驗.由此可見,多學科之間相輔相成是軟物質(zhì)領(lǐng)域發(fā)展的必由之路.基于這一事實,典型軟物質(zhì)物理實驗的開設必將促進普通高校內(nèi)相關(guān)學院之間通力合作,拓展原有的學科內(nèi)涵,建立學生的多元化思維模式.

如前所述,我國在軟物質(zhì)物理領(lǐng)域內(nèi)的研究在國際上處于相對落后的地位,因而在本科教學階段有意識地結(jié)合軟物質(zhì)物理教學可以起到引導作用.在國內(nèi),目前的軟物質(zhì)研究大多集中在軟物質(zhì)材料的合成、表征及應用方面，而在該領(lǐng)域內(nèi)的源頭創(chuàng)新依舊匱乏，有待進一步發(fā)展.究其原因,主要還是軟物質(zhì)物理方面人才的缺乏以及認識方面的不足.事實上,有關(guān)軟物質(zhì)“弱刺激-強響應”特性更深層次的物理機制還有待深入探索和研究,而較好的物理基礎是深入研究的先決條件.顯然,在普通高校的物理教學中開設軟物質(zhì)物理實驗教學可以使學生更早地接觸和認識軟物質(zhì),起到應有的導向作用.在此基礎上,有目的地強化學生對軟物質(zhì)物理的認識,以期增加軟物質(zhì)物理領(lǐng)域的人才儲備.這有助于提升我國的軟物質(zhì)物理研究的實力,對其躋身于國際并與國際研究水平接軌具有實質(zhì)意義.

2.3 我校開設軟物質(zhì)物理實驗的典型實例

基于上述考慮,我們在本校連續(xù)5年對本科學生展開問卷調(diào)查,借以了解同學們對軟物質(zhì)物理的認識以及他們對增設軟物質(zhì)物理實驗的看法.調(diào)查結(jié)果表明,大多數(shù)同學對軟物質(zhì)物理的認識僅存在于表面的認知上,對其物理內(nèi)涵有欠了解,同時對于增設軟物質(zhì)物理實驗表現(xiàn)出濃厚的興趣.為此,我們特意組織了師資,聯(lián)合開設了一些具有代表性的軟物質(zhì)物理實驗來激發(fā)學生的學習和研究興趣,以此來實現(xiàn)學生們對于軟物質(zhì)的認識.

5年來,經(jīng)過不斷地嘗試和探索并結(jié)合每年的問卷調(diào)查,我們發(fā)現(xiàn)以下4個具有代表性的軟物質(zhì)實驗適合在普通物理的實驗教學中開設:

(1)θ-條件下鏈狀高分子的尺度(溫度驅(qū)動的物態(tài)變化);

(2)軟物質(zhì)物理的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)(非晶態(tài)和晶態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變);

(3)高分子液晶的織構(gòu)及其光學特性(結(jié)構(gòu)及光電特性);

(4)膠體的自組織(熵致軟物質(zhì)的物態(tài)變化).

以上4個實驗之所以受到學生歡迎的原因主要是在于以下特點:

(1)這些實驗既是軟物質(zhì)領(lǐng)域中的代表性實驗,同時也與物理系的本科教學密切相關(guān),二者之間可以實現(xiàn)良好對接.在這些實驗中所涉及到的物態(tài)變化和熱力學概念均有簡單明了的特點,但同時卻又是了解相關(guān)實驗現(xiàn)象的物理根源.

(2)實驗中所需要的材料易得、相關(guān)的實驗步驟簡單、實驗的思路清晰、實驗結(jié)果直觀、實驗中所揭示的現(xiàn)象在軟物質(zhì)領(lǐng)域中占有重要地位,是了解軟物質(zhì)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的基礎.

(3)實驗所需要的時間與普通物理實驗的時間相當,且無須額外配備實驗室、易于理解和操作.在每年的普通物理拓展實驗中,均有多名同學報名參加上述軟物質(zhì)物理實驗,并認真進行實驗、總結(jié)結(jié)果以及撰寫實驗報告,達到了預期效果,收效良好.

基于普通院校本科生的物理實驗教學安排,近5年來,我們發(fā)現(xiàn)上述實驗作為可以分開安排在二年級的普通物理實驗中.通過在我校普通物理教學的拓展實驗中開展了有關(guān)軟物質(zhì)物理的實驗,不僅拓展了學生知識面,同時也開闊學生的視野,從而與傳統(tǒng)的物理學基礎課程之間的互相輔助,共同促進和豐富本科生的普通物理教學工作.目前,其他有關(guān)軟物質(zhì)物理和材料的實驗也在進一步探索和嘗試之中.

3 結(jié)束語

軟物質(zhì)在自然界、生產(chǎn)和生活中普遍存在,是一類具有特殊運動規(guī)律的物體.在科學多元化發(fā)展的今天,軟物質(zhì)物理已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理中不可或缺的重要分支.然而,面對我國在該領(lǐng)域內(nèi)相對落后的現(xiàn)狀,需要從人才培養(yǎng)、團隊建設、凝練內(nèi)涵等多個角度進行努力.因此,在普通院校本科生的實驗教學中引進適合教學的典型軟物質(zhì)物理實驗有著重要意義.顯然,激發(fā)學生興趣、拓展學生的視野必將起到應有的導向作用,從而使得軟物質(zhì)物理在傳統(tǒng)物理中日益凸顯出來.正如有些學者指出的那樣,新的世紀是軟物質(zhì)物理大放異彩的世紀,對軟物質(zhì)的深入研究將對物理、生命工程、化學環(huán)境、材料和醫(yī)藥等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響.為此,在普通高校中大力推廣和開展軟物質(zhì)物理實驗有著現(xiàn)實意義,值得拓展.

1 陸坤權(quán),劉寄星.軟物質(zhì)物理學導論.北京:北京大學出版社，2006.4～8

2 De Gennes P.G.Rew.Mod.Phys.1992(3)：645～648

3 馬余強.軟物質(zhì)的自組織.物理學進展，2002(1)：73～98

4 陸坤權(quán),劉寄星.軟物質(zhì)物理——物理學的新學科物理.物理，2009(7)：453～461

5 朱平平,楊海洋,何平笙.軟物質(zhì)的θ溶液.化學通報，2003(2)：138～141

6 M·魯賓斯坦(美).高分子物理.北京:化學工業(yè)出版社，2007.85～125

7 唐四葉,曹欣祥,李仕輝.相平衡法測定氯化聚丙烯在不同溶劑中的θ溫度.涂料工業(yè)，2012(2)：56～59

8 王竹溪.熱力學.北京:北京大學出版社，2005.327～337Development on Soft Matter Physics Experiments in General Colleges and Universities Physics Teaching

Hong Xiaozhong Bai Libin Jia Pengying

(College of physical science and technology,Hebei University,Baoding,Hebei 071002)( College of chemistry and environmental science,Hebei University,Baoding,Hebei 071002)(College of physical science and technology,Hebei University,Baoding,Hebei 071002)

Soft matter physics has been an individual characteristic subject in the field of physics due to its fruitful development.It is therefore necessary to design the related experiments in the physical course in general universities.Based on such a consideration,we have performed several typical experiments on the soft matter physics in the past five years for the purpose of enriching the relevant knowledge.In this paper the status about the laboratories of soft matter physics is first presented,which shows the deficiency between developed countries and chinese mainland in this field,in particular,in most of general universities.Furthermore,the necessity and significance of introducing some typical experiments on the soft matter physics are discussed,which are helpful to promote diversity physical training for the undergraduates.

soft matter；course on physics experiments；interdiscipline

*河北大學第八批教學改革研究項目，項目編號：JX08-YB-23