这场诺奖报告宣告了软物质研究领域的诞生
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德热纳（Pierre-Gilles de Gennes，1932.10.24-2007.5.18）是法国著名物理学家，在合金超导、液晶和高分子等物理和化学领域里有重大贡献。“因为发现从简单系统的有序现象中发展起来的研究方法能够推广至更复杂形态的物质（特别是液晶和聚合物）”而获得1991年的诺贝尔物理学奖。
翻译 | 姬扬（中科院半导体所研究员）
软物质
德热纳的诺贝尔物理学奖报告
（1991年12月9日）
什么是软物质？美国人喜欢说“复杂流体”，虽然这个名字不好听，还会让学生们望而生畏，但确实说明了软物质的两个主要特征：
(1)复杂性。我们大致可以说，现代生物学已经从研究简单模型体系（细菌）进入到研究复杂的多细胞组织（植物、无脊椎动物、脊椎动物……）。类似的，从本世纪上半叶原子物理学的迅猛发展中，诞生的一个分支就是软物质，它的基础是聚合物、表面活性剂、液晶，还有胶体粒子。
(2)柔性。我想用早期的聚合实验说明这个特性。它起源于亚马逊河流域的印第安人，他们收集三叶胶树的树汁，涂到脚上，让它在短时间里变干。看！他们就有了一双靴子。从微观的角度来看，起初是一堆互不相干的、可变形的高分子链，随后空气中的氧在链与链之间搭建起了氧“桥”，因此导致了惊人的变化：从液体变成了能够承受拉伸的网状结构——现在称之为橡胶（法语是caoutchouc，直接采用印第安语的发音）。这个实验让人吃惊的是，非常微弱的化学作用也能引起力学性质的巨大变化——这是软物质的典型特征。
当然，利用其他一些聚合物体系，我们可以建造更刚性的结构。酶就是一个重要的例子。酶有很长的氨基酸序列，折叠成紧密的球体，其中为数不多的几个氨基酸起着关键作用：它们组成了“活性位置”，执行特殊的催化作用（或识别作用）。雅克·莫诺（Jacques Monod）早就提出过一个有趣的问题：序列中的每一点都有20种氨基酸可供选择，希望组建一个受体位置，以某种严格的方式手段在空间定位其中的活性单元。我们不能简单地把这些活性单元放在一起，因为这样不能实现正确的取向和定位。因此，在两个活性单元之间需要有“间隔区”，它是一组氨基酸序列，有足够的变化能力使得间隔区两端的活性单元很好地实现相对的定位。莫诺的问题是：间隔区的最小长度是多少？
已经证明（de Gennes, 1969），答案是相当明确的。这个魔数大约在13~14附近。少于14个氨基酸，通常不能得到期望的结构；大于14，就会有很多种合适的序列。论证是很原始的：考虑了体积排出效应，但没有认识到稳定酶的另一个条件，那就是酶的内部应该是疏水基，而外表面应该是亲水基。但我的猜想是：魔数因此导致的变化不会超过一个单元。确实，当我们考察简单的球蛋白（如肌球蛋白）的间隔区尺寸，就发现它们与魔数相差不大。
让我们回到溶液中的柔性高分子聚合物，概述它们的某些奇特的力学性质。安德鲁·凯勒（Andrew Keller）和同事设计的四辊实验（译注：“四辊实验”这个词不常见，这里采用了吴大诚教授的译法，因为他是高分子聚合物方面的专家。）是很好的例子（Keller and Odell, 1985; Odell and Keller, 1985）。此处，高分子线团的稀溶液承受纯粹的纵向剪切力。恰当地选择出射轨迹（在出射通道的对称平面上），分子将长时间承受应力。结果是，如果剪切率大于某个阈值，就会突然发生转变，介质将变成双折射性的，这就是我说的“卷曲-伸展相变”（de Gennes, 1974）。当剪切力开始让线团打开时，对于流动的控制就越强，线团就打得更开……这样就导致了突变。在这里，我们见识到软物质的另一个奇异性质——力与构型有着令人惊讶的耦合。事实上，凯勒早就证明：当剪切率
稀线团的另一个有趣特点是能够降低湍流的损耗。现在称之为汤姆斯（Toms）效应。实际上，在汤姆斯之前，卡罗尔·米塞尔斯（Karol Mysels）已经发现这种现象（参见综述文章Mysels, 1971）。令我高兴的是，他今天也在场。和M·泰伯（M. Tabor）一起，我们尝试建立湍流级联（a turbulent cascade）中的线团的标度模型（de Gennes, 1986; Tabor and de Gennes, 1986），但力学界的朋友认为这不现实——时间会判断什么是正确答案。
关于聚合物我已经谈了许多，照理应该同样谈谈胶体，我更愿意称之为“超分散物质”。但是在哥特堡的诺贝尔讨论会，我刚刚就此做过一次讲演，所以我将略去这个话题，尽管它在实践上非常重要。
现在谈谈表面活性剂——其分子有两部分：亲水的极性头和厌水的脂肪烃尾巴。本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）用表面活性剂做过一个漂亮的实验。在克拉芬公园（Clapham Common）的一个池塘里，他倾入少量的油酸——这是一种天然的表面活性剂，倾向于在水和空气的界面上形成致密的薄膜。他测量了铺满整个池塘所需的油酸体积，知道了面积，就得到了薄膜的厚度。按照现在的单位，大约是3纳米。就我所知，这是第一次测量分子的大小。今天，我们热衷于超级复杂的玩意儿，比如原子核反应堆或同步加速器，但我更喜欢向学生们讲述富兰克林这种风格的实验。
表面活性剂可以保护水的表面，也可以吹漂亮的肥皂泡，让孩子们开心。我们对于肥皂泡的理解，主要来自于一个著名的研究群体：米塞尔斯、施诺达（Shinoda）和弗兰克尔（Frankel），他们写过一本专著（Mysels, Shinoda, and Frankel, 1959）。不幸的是，这本书现在很难找到了，我非常希望能重印它。
很久以前，弗朗索瓦兹·布罗沙尔（Francoise Brochard），让·弗朗索瓦·伦农（Jean Francois Lennon）和我对某些双分子膜体系产生了兴趣（Brochard and Lennon, 1976），这里有两层表面活性剂，每一层的亲水基都指向邻近的水。与此有关（虽然更复杂）的一种系统是红血球。人们早就知道，用相衬显微镜观察，可以看到这些细胞会闪烁，有段时间曾经认为，这种闪烁反映了非平衡条件下活物质体系的不稳定性。最终发现事情很简单，不溶性双分子膜的基本特性是：在表面活性剂分子数量固定不变的情况，面积要达到最佳化。因此，能量相应于面积达到极值：表面张力等于零。这就意味着，这些瘪下去的细胞（或“小泡”）的形状可以有巨大的涨落：闪烁正是柔性物体布朗运动的一个实例。让·弗朗索瓦测量了闪烁的空间-时间关联，然后他证明，利用一个不含表面张力、仅有弯曲能量和粘性力的模型，就可以理解这些关联——这是软物质另一个绝妙的例子。
事实上，这就是研究表面活性剂双分子膜体系（由W·赫尔弗里希（W. Helfrich）开创）和更正式些的随机表面（特别是D·纳尔逊（D. Nelson））的一个出发点。这个领域中的一个伟大成就是发现了微乳液的“海绵相”（Porte et al., 1988; Roux and Cates, 1992），但是更一般地说，有趣的是从这些人了解到，高大上的弦论和肥皂泡的描述之间有一些思想上的交叠！
现在，让我走向花园的另一个角落——液晶。首先我必须赞颂两位伟大的先驱：(1)乔治·弗里德尔（Georges Friedel），是精确理解何谓液晶及液晶主要类型的第一个人；(2)查尔斯·弗兰克（Charles Frank），他（参考奥森的一些早期工作）创建了向列相液晶的弹性理论，还描述了很多的拓扑缺陷（“位错”）作了。这里我只谈论近晶相。弗里德尔观察近晶相液晶中的某些缺陷（“聚焦圆锥”[译注：这里采用了吴大诚教授的译法]），认为它们必定是液态的、等间距的和可形变的双层结构（Friedel, 1922）。根据100微米尺度上的观察结果，他能够推断出1纳米尺度上的正确结构——真是了不起。
近晶相液晶很自然地带出复杂流体的另一个重要特征——也就是说，现在可以制造新形态的物质。上面提到的海绵相就是一个实例。另一个引人注目的例子由R·B·梅耶（R. B. Meyer，大约1975年在奥尔塞）发明的铁电近晶相。他想设想手性分子进行某种排列，可以自动生成带有非零电偶极矩的相（即“C*相”）。几个月以后，我们当地的化学家就合成出正确的分子，第一个铁电液体就诞生了（Meyer et al. , 1975）！今天，这种材料对显示器非常重要——它们的转换比手表中的向列相液晶快103倍。
另一不太重要但十分有趣的例子是由M·韦西埃（M. Veyssie）和P·法布尔（P. Fabre）研制的“铁近晶相”。出发点是水基的铁磁流体——非常微小的磁体颗粒的悬浮液[铁磁液体很久以前由R·罗森斯韦格（R. Rosensweig）发明，具有很多奇异性质]。这里需要制备一种“多层三明治”结构：
双分子膜|铁磁液体|双分子膜|…
在磁场
再看看另一种新玩意：C·卡萨格兰德（C. Casagrande）和M·韦西埃（M. Veyssiicé）首先制备的“杰纳斯（Janus）颗粒”。两面神杰纳斯有两副面孔，杰纳斯颗粒也有两个面：一面是极性的，另一面是非极性的。因此，它们与表面活性剂有某些相似性。然而，如果考察它们形成的薄膜，比如在水-空气界面，就会发现一些有趣的差异，普通表面活性剂的致密膜的渗透性不好，但杰纳斯颗粒形成的膜总会在颗粒间留有空隙，可以让膜的两侧发生化学交换：“这种皮肤能呼吸”。这可能会有实际应用的意义。
最早制备杰纳斯颗粒的技术基于球状粒子，它的一半嵌在塑料里，另一半进行硅烷化处理（Casagrande and Veyssie, 1988; Casagrande et al. , 1989）。这种方法只能生产极微量的材料。然而，戈尔德施密特（Goldschmidt）研究所的一个小组发明的解决方法要聪明得多 (Gruning et al. , 1987)。首先收集中空的玻璃球粒（有商品供应），将外表面疏水化，然后把球颗粒压碎！最终得到一面亲水、另一面疏水的碎片，尽管形状不规则，但可以成吨地批量生产。
现在我想用几分钟谈一谈软物质研究的风格。第一个主要特点是实验有可能非常简单——符合本杰明·富兰克林的精神。请让我举两个例子。第一个例子是纤维的浸润。将一根纤维浸入液体然后快速抽出来，通常将会出现一串液珠，有一段时间人们都认为，大多数普通纤维是不浸润的。F·布罗沙尔从理论上分析了曲面上的平衡，认为在很多情况下，在纤维上各个液滴之间应当有浸润膜。J·M·德梅格尼奥（J. M. di Meglio）和D·凯雷（D. Queré）非常高明地确定了液膜的存在和厚度（di Meglio, 1986）。他们制备了一大一小两个相邻的液滴，并证明小液滴缓慢淌空而进入大滴（因为毛细作用）。通过测量这个过程的速度，他们推导出纤维上连接两个液滴的液膜的厚度：液膜中泊肃叶流速强烈依赖于液膜的厚度。
另一个高明的浸润实验涉及接触线（固体上液滴的边缘）的集体模式。假如用某些外界作用让接触线发生形变，它回复到平衡形状的弛豫速率依赖于我们要研究的形变的波长。但是，怎样才能让接触线发生形变呢？我想了一种很复杂的笨办法，利用蒸发制备的金属梳状电极之间的电场，还有其他更糟糕的办法。但蒂里·翁达库夫（Thierry Ondarcuhu）提出了一种简单的办法：
(4)倾斜固体使接触线L变形，直到它与液滴接触，就发生并合，得到一条波浪线，他就可以测量弛豫速率了（Ondarcuhu and Veyssie, 1991）。
前面对实验的强调超过了理论。当然，在考虑软物质时，我们需要一些理论。事实上，软物质和其他领域之间有一些有趣的理论类比。S·F·爱德华兹（S. F. Edwards）给出这样的一个例子（Edwards, 1965）：他发现，柔性链的构型和非相对论粒子的运动轨迹有很好的对应关系——链的统计权重对应于粒子的波函数。当有外势存在的时候，这两个体系都由同一个薛定谔方程控制！这个发现已经成为高分子聚合物统计学随后一切发展的关键。
已故的W·麦克米兰（W. McMillan，我们大家都怀念的伟大科学家）和我们同时发现，近晶相A和超导体之间存在另一个有趣的类比。后来，T·鲁本斯基（T. Lubensky）及其同事巧妙地利用了这种类比（Renn and Lubensky, 1988）。我们又一次见证一种物质新形式的发明！大家知道，II型超导体在磁场中有量子化涡漩。这里的类比是在近晶相A里加入手性分子溶质，它起了磁场的作用。正如鲁本斯基在1988年的预言，在一些有利的情况，可能产生带有螺旋位错的近晶相——所谓的A*相。仅仅一年以后，由平达克（Pindak）及其同事就在实验中发现了（Goodby et al. , 1989）——真是妙不可言。
在结束这次关于软物质的浪漫旅行之前，我要简单提一下我的合作伙伴。有些人是半路相识的，如：让·雅克，伟大的液晶发明家；卡罗尔·米塞尔斯，表面活性剂科学方面无可争议的大师。有些人和我一路同行：亨利·贝努瓦（Henri Benoit）和萨姆·爱德华兹（Sam Edwards），他俩教我学聚合物的知识；雅克·德克罗依杰克斯（Jacques des Cloizeaus）和热拉尔·雅尼克（Gerard Jannink），他们关于这个主题出版了一本非常深入的理论专著。最后是那些关系密切的旅伴，我们一起征服陆地和海洋，他们是：菲尔·平卡斯（Phil Pincus），什劳莫·亚历山大（Shlomo Alexander），艾蒂安·居荣（Etienne Guyon），马德莱纳·韦西埃（Madeleine Veyssie）；最后还要特别感谢弗朗索瓦兹·布罗沙尔——sans laquelle les choses ne seraient que ce qu'elles sont（吴大诚注[5]：她对我的事业至关重要。这句话德热纳在讲演中是用法语说的）。
最后引用几句诗，它们来自关于软物质实验的一幅画（画师是布丹），带有下面这首诗（译注：德热纳在诺奖演讲中引用的诗
https://blog.sciencenet.cn/blog-1319915-1338553.html）：
游戏海与陆，
出名真烦恼。
富贵与荣华，
都是肥皂泡。
这首诗比任何结论更适合今天的场合。
诺奖报告和以前的中译本：
[1] Pierre-Gilles de Gennes, Soft Matter, Nobel Lecture, December 9, 1991, https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1991/gennes/lecture/
[2] P. G. de Gennes, Soft matter, Reviews of Modern Physics, Vol. 64, No. 3, July 1992, p.645-648.
[3] 德热纳《软物质：l991年诺贝尔物理奖获奖讲演稿》，吴大诚译，《大自然探索》1992年第3期，第1-5页。
[4] 《诺贝尔奖讲演全集·物理卷IV》，福建人民出版社，2004年。德热纳的诺奖报告由王凡、王幼林译，陈乐校。
[5] 德热纳著，吴大诚、刘杰、朱谱新等译，《高分子物理学中的标度概念》，高等教育出版社，2013年。德热纳的诺奖报告见附录。
参考文献
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de Gennes, P. G., 1969, in Physique Theorique et Biologie, Proceedings of the Second Conference (Editions CNRS, Paris).
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di Meglio, J. M., 1986, C. R. Acad. Sci. (Paris) 303 II, 437.
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Goodby, J. W., M. A. Waugh, S. M. Stein, E. Chin, R. Pindak, and J. S. Patel, 1989, J. Am. Chem. Soc. 111, 8119.
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Meyer, R. B., L. Liebert, L. Strzelecki, and P. Keller, 1975, J. Phys. (Paris) Lett. 36, L69.
Mysels, K., 1971,Chem. Eng. Prog. Symp. Ser. 67, 45.
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Porte, G., J. Marignan, P. Bassereau, and R. May, 1988, J. Phys. (Paris) 49, 511
Renn, S.R., and T. Lubensky, 1988, Phys. Rev. A 38, 2132.
Roux, D., and M. E. Cates, 1992, in Proceedings of the 4th Nishinomya-Yukawa Symposium, Springer (to be published).
Tabor, M., and P. G. de Gennes, 1986, Europhys. Lett. 2, 519.
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