奇妙的軟物質世界

虞一

避免腹背受敵

如果你是位武功高強的俠士，在一家旅店遭到歹人的圍攻，你肯定會邊打邊向墻壁退去，直到背靠墻壁，因為墻壁可以讓你不用考慮背部被襲擊。從電影電視劇上，我們經常可以看到這種場面。若是兩位俠士對付一群敵人，那么兩位俠士就會背靠背靠在一起，這樣兩人都只需要對付眼前的敵人就夠了。

我們人類會如此應對這種場面，但在我們眼里沒有生命的小球竟然也會這么做。美國科學家曾做了一個有趣的實驗：他們先將一個直徑約為頭發絲直徑1/140的“大球”放到一個微型容器里。通過光學攝影的方法，可以看到大球在容器中任何一處都可以出現，就是說，大球在容器里會自由運動。然后他們把直徑只有大球直徑1/10的許多小球也放進去，奇怪的現象出現了：大球逐漸向容器壁退卻，最后除了容器壁的周圍一圈，大球再也不到容器的其他地方游走了！這種現象竟然與俠士受攻擊時的抗敵過程是一樣的。

難道大球也會思考出應對敵人攻擊的策略？顯然不是，這只是個很自然的過程：容器中的大球、小球都在不停地隨機運動，運動中的小球會不停地從各個方向撞擊大球。大球在不同方向上受到的小球撞擊一般來說總有一些細微的差別，因此大球就會因受力不同而向某個方向運動。當大球碰到容器壁的時候，大球的一邊因為容器壁的阻擋而免受小球的攻擊，那么另一邊的攻擊只能讓大球永遠貼著容器壁。而在我們看來，大球好像是為了防止腹背受敵而躲在墻壁上了。

如果容器內有兩個大球，那么這兩個大球還會像那兩位俠士一樣并肩作戰哩，而且這兩個球還會一邊并肩作戰一邊向容器壁退卻。若是更多的大球在同一個容器里，容器里沒有小球存在，大球會在容器里生活得自由自在，但是加入諸多小球后，大球們就會聚在一起，凝成一個緊密的團隊。出現這些現象也是因為受力不均，只有大球們靠在一起，才是穩定的狀態。

軟物質的軟功夫

上面講的這個有趣現象就是在一種叫作“軟物質”的世界里發生的。“軟物質”的概念是1991年諾貝爾獎獲得者、法國物理學家德熱納提出的。“軟物質”，顧名思義，就是形態容易發生變化的物質。對這種物質施加很小的作用，它就會表現出很大的變化。它是介于純液體與純固體之間的具有一定流動性的物質，例如液晶、膠體、膜、泡沫、顆粒物質、生命物質、橡膠、墨汁、洗滌液、飲料、乳液及化妝品等。由于容易變化，所以軟物質時常表現出非常怪異的性質。

我們再來看一個有關軟物質的故事：大約在2 500年前，生活在亞馬孫河流域的印第安人常把巴西三葉膠樹汁涂抹在腳上，大約20分鐘后，這種奇怪的液體就在印第安人的腳上凝成了一雙靴子。但不久，這種橡膠靴又會破成碎片。原來橡膠在化學上屬于軟物質，含有大量的鏈狀高分子，這些高分子本來是相互獨立流動的，但暴露在空氣中，橡膠中的碳原子與氧會發生反應，就會戲劇性地改變橡膠的形態，使之凝固起來。隨著時間的推移，更多碳原子與氧繼續發生反應，橡膠的形態又會被戲劇性地改變而破碎。

這個故事體現了軟物質在微小的化學作用下發生巨大變化的性質。在日常生活中我們經常可以看到這類戲劇性變化。例如，雕塑家輕輕一捏就能改變黏土的形狀；微小的振動可以讓雪堆或沙堆發生雪崩或形成流沙；鈕扣電池的微小電場可以讓液晶分子發生明顯變化，從而顯示出不同的圖像。

可見軟物質都具有一定的軟功夫，但不同種類的軟物質還有其各自的奇異特性。

當水變成軟物質……

對于水，我們是很熟悉的，但是當在水中添加一點溶于水的高分子長鏈物質時，水就會變成軟物質，它雖然看起來還是清澈透明的，但是性質卻變得讓人吃驚。

用棒攪拌水，水會旋向四周，可是軟物質水不但不會旋向四周，還會向中心聚集，并且還有沿著攪拌棒向上爬的趨勢。1毫升普通水傾倒在地面上，馬上四散濺開，但是軟物質水不會濺開，而是反復變扁、彈起，像一團柔軟的橡皮一樣。

半杯水放在高處，我們如何不傾倒、不破壞杯子而讓杯子里的水進入低處的杯子里呢？很簡單，可以找來一根軟管，把軟管的一端插入高處杯子的水中，另一端放入低處的杯子中，當把軟管吸滿水后，水就會通過軟管從高處的杯子流向低處的杯子。那么我們能否不用軟管，讓水自動化為一縷，攀過杯子壁，直掛下來，進入低處的杯子呢？可以的，只需要向水中加入很少量的能夠溶于水的高分子長鏈物質。這時，我們把管子拔離水面，就會看到一縷水仍然源源不斷地從杯子中升入管子，然后流向低處的杯子。當貼著杯子壁把管子撤掉，水會繼續成縷地攀過杯子壁向外流，直到杯中的水都流光。這場面讓人驚訝，這叫作無管虹吸現象。

軟物質中的許多復雜的流體一般都具有上述怪異的性質。

同號電荷相吸，異號電荷相斥

膠體也是一種軟物質，開篇所介紹的有趣現象就是發生在膠體中的。膠體是微小顆粒散布于均勻介質中形成的。霧是膠體，是水的小液滴散布在空氣中形成的；煙是膠體，是固體小顆粒散布在空氣中形成的；牛奶、牙膏是膠體，是液體中散布著小液滴或固體小顆粒。

膠體的軟功夫主要體現在，向膠體中加入一點物質會引起膠體的大變化，例如在墨汁中加一點阿拉伯膠就能使墨汁穩定存在很長時間，一點紅鹵加入豆漿會使其變成豆腐。向膠體中加入小顆粒，膠體中的大顆粒會自動聚成團退到容器邊上。

帶電膠體顆粒還有種奇怪的現象：當兩個帶同號電荷的膠體顆粒被限制在兩個玻璃板之間時，隨著玻璃板的不斷靠近，兩個膠體顆粒會相互吸引。怎么會出現“同號電荷相吸”的現象呢？很讓人費解。確實，同電荷膠體顆粒靠近某些表面時會表現出靜電吸引作用，而且，在這種受兩塊玻璃板約束的膠體中，不但同號電荷的膠體顆粒會相互吸引，異號電荷的膠體顆粒還會相互排斥！

產生這種現象的原因科學家還不清楚。顯然，對于帶電膠體顆粒的靜電作用顛倒的現象研究將是非常有意義的。

神奇的囊

洗衣粉、磷脂之類物質的分子，一端溶于水，一端不溶于水，若分散到水中或油中就會形成各種形狀的膜：單層的、雙層的、平面的、球狀、梨狀、囊狀等。膜是柔軟的，有一定的流動性，膜中的分子在膜內可以自由移動和擴散，因此膜的形狀和面積會隨外界條件的變化而變化，它很容易形成，也很容易破裂。膜也是一種典型的軟物質。

有一種非常有意義的膜叫作泡囊。它是一種由雙層分子膜構成的柔軟的囊狀體，小的如細胞大小，大的可以達到幾毫米，囊的內部可以裝上溶于水的各種營養物，然后整個泡囊還可以在水中到處游走，且囊中的營養物質不會跑出來。囊的體積可以在一定范圍內變大變小，形狀可以千變萬化，細長、渾圓，都可以，真有點像我們用來裝東西的囊。最具有代表性的泡囊就是細胞膜，細胞膜包著細胞液和各種細胞器，但是這些物質卻不會輕易跑到細胞膜外。能證明細胞膜的形狀可以隨意變化的明確證據就是直徑幾微米的紅細胞可以擠過直徑只有0.2微米的毛細血管，紅細胞囊需要變得多么細長啊！泡囊一般不會破裂，一旦被刺破，也會自動愈合上。

軟物質造就了生命體

我們的身體就是由細胞、體液、蛋白質和DNA等組成，我們已經知道細胞膜是軟物質，體液屬于膠體，也是軟物質，而蛋白質和DNA也是軟物質。

蛋白質分子能夠隨著環境的變化隨時調整自己的形態，直到最穩定。因此蛋白質的形態容易變化，可以在生物反應時，從一種形態變到另一種形態，因此它可以用作酶來催化體內的生物反應。蛋白質分子在一定外界條件下，只有一種形態是最穩定的，因此不管蛋白質分子鏈有多長，只要所處的環境相同，它們的折疊過程和最后的形態都是一樣的。

同樣道理，DNA分子的形態也是相對穩定的，通常以雙螺旋的形式存在，但是當體內環境改變，例如DNA分子復制前，DNA還會解開螺旋狀態。那么DNA為什么不是以亂麻的形式存在呢？更雜亂的狀態豈不更穩定？不是這樣的。就像膠體中若存在大球和小球，最穩定的狀態并不是大球和小球隨機雜亂分布，而是大球和小球分離，大球比較規則地聚集起來。

由于軟物質相對穩定和有規則變化，由軟物質構成的生命體也就被賦予了超凡的能力：在需要穩定時穩定，在需要變化時變化。是軟物質的“軟功夫”造就了不斷對外界環境做出反應，不斷新陳代謝、生長變化的生命體。

編輯/張懷宇