软物质物理

软物质(聚合物、胶体、表面活性剂和液晶)是现代科技中很重要的一类材料。它们也是许多未来技术的基础。软物质在固体和液体之间显示出复杂的性质。经过20多年的发展，软凝聚态现在可以和固体凝聚态一样在可靠的物理基础上讨论。本书侧重于用物理学的基本理论和方法，分析软物质体系的各种现象，包含软物质概念、软物质溶液、弹性软物质、表面和表面活性剂、液晶、布朗运动和热涨落、软物质动力学的变分原理、软物质中的扩散和渗透、软物质的流动和变形、离子软物质等。本书为物理和材料专业的本科生和研究生介绍了理解软物质特性的物理基础，适合从事软物质研究的科研人员学习参考。

丛书序
译者序
前言
致谢
第1章 什么是软物质？ 1
1.1 聚合物 1
1.2 胶体 2
1.3 表面活性剂 3
1.4 液晶 5
1.5 软物质的共性是什么？ 6
1.6 小结 8
延展阅读 8
第2章 软物质溶液 9
2.1 溶液热力学 9
2.1.1 溶液的自由能 9
2.1.2 混合准则 11
2.1.3 渗透压 13
2.1.4 化学势 14
2.1.5 稀溶液 14
2.2 相分离 15
2.2.1 两相共存 15
2.2.2 相图 16
2.3 格点模型 17
2.3.1 格点上的分子 17
2.3.2 溶质分子间的有效相互作用 18
2.3.3 自由能 19
2.3.4 相分离 21
2.4 聚合物溶液 22
2.4.1 聚合物溶液的格点模型 22
2.4.2 聚合物溶液的关联效应 23
2.4.3 聚合物混合物 25
2.5 胶体溶液 25
2.5.1 胶体颗粒间的势 25
2.5.2 胶体溶液的特性 25
2.6 多组分溶液 27
2.7 小结 27
延展阅读 28
练习 28
第3章 弹性软物质 31
3.1 弹性软物质 31
3.1.1 聚合物溶液与聚合物凝胶 31
3.1.2 黏度与弹性 32
3.1.3 弹性常数 34
3.1.4 弹性材料的连续介质力学 35
3.2 聚合物链的弹性 38
3.2.1 自由连接链模型 38
3.2.2 端到端向量的平衡分布 39
3.2.3 聚合物链的弹性 39
3.3 橡胶弹性的库恩理论 42
3.3.1 变形橡胶的自由能 42
3.3.2 典型变形的应力-应变关系 43
3.3.3 气球膨胀 45
3.4 聚合物凝胶 46
3.4.1 变形自由能 46
3.4.2 溶胀平衡 48
3.4.3 体积相变 49
3.4.4 压缩体积变化 50
3.5 小结 52
延展阅读 52
练习 52
第4章 表面和表面活性剂 56
4.1 表面张力 56
4.1.1 流体的平衡形状 56
4.1.2 表面张力 57
4.1.3 巨正则自由能 58
4.1.4 界面自由能 59
4.1.5 表面过剩 61
4.2 浸润 61
4.2.1 浸润的热力学驱动力 61
4.2.2 固体表面的液滴 63
4.2.3 毛细管内液面上升 64
4.2.4 液体上的液滴 65
4.3 表面活性剂 66
4.3.1 表面活性剂分子 66
4.3.2 表面活性剂溶液的表面张力 66
4.3.3 表面吸附与表面张力 67
4.3.4 胶束 69
4.3.5 Gibbs单分子膜与Langmuir单分子膜 70
4.4 表面间势 70
4.4.1 表面间的相互作用 70
4.4.2 表面间势和胶体颗粒的相互作用 71
4.4.3 范德瓦耳斯力 72
4.4.4 带电表面 73
4.4.5 聚合物接枝表面 74
4.4.6 非接枝聚合物效应 75
4.4.7 分离压 77
4.5 小结 78
延展阅读 78
练习 78
第5章 液晶 81
5.1 向列型液晶 81
5.1.1 双折射液体 81
5.1.2 取向分布函数 82
5.1.3 向列型液晶的序参数 83
5.2 各向同性-向列型相变的平均场理论 84
5.2.1 取向分布函数的自由能函数 84
5.2.2 自洽方程 86
5.2.3 序参数的自由能函数 87
5.3 Landau-deGennes理论 88
5.3.1 临近相变点的自由能表达式 88
5.3.2 磁场调控的向列型分子排列 91
5.4 向列序的空间梯度效应 93
5.4.1 非均匀序状态的自由能泛函 93
5.4.2 无序相中的梯度项效应 93
5.4.3 有序相中的梯度项效应 95
5.4.4 Freedericksz相变 96
5.5 棒状粒子各向同性-向列型相变的Onsager理论 98
5.6 小结 99
延展阅读 100
练习 100
第6章 布朗运动和热涨落 103
6.1 小粒子的随机运动 103
6.1.1 时间关联函数 103
6.1.2 时间关联函数的对称性 105
6.1.3 速度关联函数 106
6.2 自由粒子的布朗运动 107
6.2.1 粒子速度的朗之万方程 107
6.2.2 随机力的时间关联 108
6.2.3 爱因斯坦关系 109
6.3 势场中的布朗运动 110
6.3.1 粒子坐标的朗之万方程 110
6.3.2 简谐势中的布朗运动 111
6.4 一般形状粒子的布朗运动 113
6.4.1 粒子构象的朗之万方程 113
6.4.2 倒易关系 114
6.5 涨落-耗散定理 115
6.5.1 涨落和物质参数 115
6.5.2 随机力的时间关联 116
6.5.3 广义爱因斯坦关系 119
6.6 小结 121
延展阅读 121
练习 121
第7章 软物质动力学的变分原理 126
7.1 颗粒-流体体系动力学的变分原理 126
7.1.1 黏性流体中的颗粒运动 126
7.1.2 颗粒运动的变分原理 127
7.1.3 流体流动的变分原理 128
7.1.4 例子：多孔介质中的流体流动 129
7.2 Onsager原理 132
7.2.1 状态变量的运动学方程 132
7.2.2 控制外部参量所需的力 134
7.3 稀溶液中的粒子扩散 134
7.3.1 粒子扩散和布朗运动 134
7.3.2 从宏观力平衡推导扩散方程 135
7.3.3 用Onsager原理推导扩散方程 136
7.3.4 扩散势 137
7.4 浓溶液中的粒子扩散 138
7.4.1 集体扩散 138
7.4.2 沉积 139
7.4.3 作用于半透膜上的力 140
7.5 棒状颗粒的转动布朗运动 141
7.5.1 转动布朗运动的描述 141
7.5.2 构型空间中的守恒方程 141
7.5.3 Smoluchowskii方程 142
7.5.4 时间关联函数 143
7.5.5 磁弛豫 144
7.5.6 角空间中的扩散方程 146
7.6 小结 147
延展阅读 148
练习 148
第8章 软物质中的扩散和渗透 151
8.1 软物质溶液的空间关联 151
8.1.1 长程关联性溶液 151
8.1.2 密度关联函数 153
8.1.3 散射函数 154
8.1.4 时空关联函数 156
8.1.5 长波极限 157
8.1.6 摩擦常数和扩散常数的关联效应 158
8.1.7 小尺度下的密度关联 159
8.2 粒子沉积中的扩散形变耦合 160
8.2.1 扩散中介质的运动 160
8.2.2 粒子沉积的连续性描述 161
8.3 相分离运动学 163
8.3.1 热力学不稳定态的相分离 163
8.3.2 相分离的前期阶段 165
8.3.3 相分离的后期阶段 167
8.4 凝胶中的扩散形变耦合 169
8.4.1 渗透和形变耦合 169
8.4.2 凝胶动力学基本方程 170
8.4.3 浓度涨落 172
8.4.4 在拉伸的凝胶薄片中溶剂扩散导致的力弛豫 173
8.4.5 溶剂扩散导致的力学不稳定性 176
8.5 小结 177
延展阅读 177
练习 177
第9章 软物质的流动和变形 181
9.1 软物质的力学性质 181
9.1.1 黏度、弹性和黏弹性 181
9.1.2 线性黏弹性 183
9.1.3 复数模量 185
9.1.4 非线性黏度 186
9.1.5 本构方程 187
9.2 分子模型 189
9.2.1 应力张量的微观表达式 189
9.2.2 由Onsager原理导出的应力张量 191
9.2.3 聚合物流体的黏弹性 192
9.3 非缠结聚合物的黏弹性 193
9.3.1 哑铃模型 193
9.3.2 哑铃模型和赝网络模型 197
9.3.3 Rouse模型 198
9.4 缠结聚合物的黏弹性 199
9.4.1 缠结效应 199
9.4.2 蠕动理论 201
9.4.3 应力松弛 203
9.4.4 实际系统中的缠结 205
9.5 棒状聚合物 207
9.5.1 棒状聚合物溶液 207
9.5.2 稀溶液的黏弹性 208
9.5.3 各向同性相浓缩溶液的黏弹性 210
9.5.4 向列型溶液的黏弹性 213
9.6 小结 213
延展阅读 213
练习 214
第10章 离子软物质 217
10.1 解离平衡 217
10.1.1 简单电解质中的解离平衡 217
10.1.2 巨电解质中的解离平衡 219
10.2 离子凝胶 221
10.2.1 离子凝胶的自由离子模型 221
10.2.2 电中性条件 221
10.2.3 Donnan平衡 222
10.2.4 聚电解质凝胶的溶胀 224
10.3 界面附近的离子分布 224
10.3.1 电双层 224
10.3.2 泊松-玻尔兹曼方程 226
10.3.3 德拜长度 226
10.3.4 电中性条件和泊松-玻尔兹曼方程 228
10.3.5 带电表面附近的离子分布 228
10.3.6 带电表面的面间势 229
10.4 电动现象 232
10.4.1 凝胶和胶体中的电动现象 232
10.4.2 离子凝胶中的电力耦合 233
10.4.3 电解质溶液中离子分布的动力学方程 235
10.4.4 狭窄通道中离子的运动 236
10.4.5 带电颗粒的电泳 239
10.5 小结 240
延展阅读 241
练习 241
附录A 连续(介质)力学 243
A.1 材料中的力 243
A.2 应力张量 244
A.3 本构方程 246
A.4 对材料做的功 246
A.5 理想弹性材料 248
A.6 理想黏性流体 250
附录B 受限自由能 252
B.1 受限体系 252
B.2 受限自由能的性质 253
B.3 力方法 254
B.4 例子1：平均力势 255
B.5 例子2：液晶的Landau-de Gennes自由能 255
附录C 变分微积分 257
C.1 函数偏微分 257
C.2 泛函的泛函微分 258
附录D 倒易关系 260
D.1 广义摩擦力的流体动力学定义 260
D.2 倒易关系的流体动力学证明 261
D.3 倒易关系的Onsager证明 263
附录E 材料响应和涨落的统计力学 265
E.1 Liouville方程 265
E.2 时间关联函数 266
E.3 平衡响应 267
E.4 非平衡响应 269
E.5 广义爱因斯坦关系 272
附录F 从朗之万方程到Smoluchowskii方程的推导 273
附录G 习题答案 275
索引 325