软物质力学:行为特性、理论模型和测试方法

摘要

软物质已成为物理学、化学、材料、力学和生命科学重要的前沿研究课题,在技术和生产上有广阔的应用前景,是国际上普遍重视的多学科交叉研究领域,更是通向研究生命体系的桥梁.软物质力学是力学的一个新兴方向,其研究对推动多学科的交集协同发展有着极其重要的作用.然而,软物质组成复杂,常是多相集合体,且往往涉及与硬物质的界面相互作用,其运动和变化规律与一般流体和固体迥异.软物质中结构单元之间的作用力弱,在一般流体和固体中作用较小的力,如表、界面作用力、范德华力等,可能在软物质中起到主导作用,传统的流体/固体理论已无法全面刻画软物质所呈现的许多独特现象.软物质的本构关系比较复杂,涉及到流变、大变形、熵等新概念.目前,除了软物质物理、化学、生物等相关研究以外,研究者们开始从力学的角度对软物质的行为特性及其理论分析模型与测试方法进行深入探索,在生物力学、界面和接触力学、胶体力学、实验力学等领域取得了丰硕的成果.近几年来,学者们对生物组织、细胞和生物大分子、水凝胶、形状记忆聚合物、活性软材料、柔性电子器件、颗粒、液晶等多种软物质体系进行了力学分析、模拟及实验,探索了软物质微结构形成的物理机制和动力学引起的新生长规律.也有学者将软物质的不稳定性和自组装行为用于开发低成本、高性能的新材料和新设备.还有许多学者考虑学科交叉,从新的角度研究软物质材料,将连续介质力学中的本构关系、计算技术和建模方法引入到软物质模拟计算中,实现对软物质的自组装行为及表面不稳定性的理论分析,并将综合的力学测试方法和技术带入到软物质力学实验中,实现对软物质复杂力学响应的小尺度性能测试.本文论述了软物质材料的力学行为及特性:包括复杂力学响应、自组织行为和表面不稳定性及其相关研究进展;重点讨论了软物质在生物力学、界面和接触力学、胶体力学和实验力学等力学领域的研究发展;对软物质力学的发展前景做了展望,提出了值得进一步研究的方向,以期推动国内软物质力学学科的发展.