軟物質(zhì)物理

目錄
叢書序
譯者序
前言
致謝
第1章 什么是軟物質(zhì)？ 1
1.1 聚合物 1
1.2 膠體 2
1.3 表面活性劑 3
1.4 液晶 5
1.5 軟物質(zhì)的共性是什么？ 6
1.6 小結(jié) 8
延展閱讀 8
第2章 軟物質(zhì)溶液 9
2.1 溶液熱力學(xué) 9
2.1.1 溶液的自由能 9
2.1.2 混合準(zhǔn)則 11
2.1.3 滲透壓 13
2.1.4 化學(xué)勢 14
2.1.5 稀溶液 14
2.2 相分離 15
2.2.1 兩相共存 15
2.2.2 相圖 16
2.3 格點(diǎn)模型 17
2.3.1 格點(diǎn)上的分子 17
2.3.2 溶質(zhì)分子間的有效相互作用 18
2.3.3 自由能 19
2.3.4 相分離 21
2.4 聚合物溶液 22
2.4.1 聚合物溶液的格點(diǎn)模型 22
2.4.2 聚合物溶液的關(guān)聯(lián)效應(yīng) 23
2.4.3 聚合物混合物 25
2.5 膠體溶液 25
2.5.1 膠體顆粒間的勢 25
2.5.2 膠體溶液的特性 25
2.6 多組分溶液 27
2.7 小結(jié) 27
延展閱讀 28
練習(xí) 28
第3章 彈性軟物質(zhì) 31
3.1 彈性軟物質(zhì) 31
3.1.1 聚合物溶液與聚合物凝膠 31
3.1.2 黏度與彈性 32
3.1.3 彈性常數(shù) 34
3.1.4 彈性材料的連續(xù)介質(zhì)力學(xué) 35
3.2 聚合物鏈的彈性 38
3.2.1 自由連接鏈模型 38
3.2.2 端到端向量的平衡分布 39
3.2.3 聚合物鏈的彈性 39
3.3 橡膠彈性的庫恩理論 42
3.3.1 變形橡膠的自由能 42
3.3.2 典型變形的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系 43
3.3.3 氣球膨脹 45
3.4 聚合物凝膠 46
3.4.1 變形自由能 46
3.4.2 溶脹平衡 48
3.4.3 體積相變 49
3.4.4 壓縮體積變化 50
3.5 小結(jié) 52
延展閱讀 52
練習(xí) 52
第4章 表面和表面活性劑 56
4.1 表面張力 56
4.1.1 流體的平衡形狀 56
4.1.2 表面張力 57
4.1.3 巨正則自由能 58
4.1.4 界面自由能 59
4.1.5 表面過剩 61
4.2 浸潤 61
4.2.1 浸潤的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力 61
4.2.2 固體表面的液滴 63
4.2.3 毛細(xì)管內(nèi)液面上升 64
4.2.4 液體上的液滴 65
4.3 表面活性劑 66
4.3.1 表面活性劑分子 66
4.3.2 表面活性劑溶液的表面張力 66
4.3.3 表面吸附與表面張力 67
4.3.4 膠束 69
4.3.5 Gibbs單分子膜與Langmuir單分子膜 70
4.4 表面間勢 70
4.4.1 表面間的相互作用 70
4.4.2 表面間勢和膠體顆粒的相互作用 71
4.4.3 范德瓦耳斯力 72
4.4.4 帶電表面 73
4.4.5 聚合物接枝表面 74
4.4.6 非接枝聚合物效應(yīng) 75
4.4.7 分離壓 77
4.5 小結(jié) 78
延展閱讀 78
練習(xí) 78
第5章 液晶 81
5.1 向列型液晶 81
5.1.1 雙折射液體 81
5.1.2 取向分布函數(shù) 82
5.1.3 向列型液晶的序參數(shù) 83
5.2 各向同性-向列型相變的平均場理論 84
5.2.1 取向分布函數(shù)的自由能函數(shù) 84
5.2.2 自洽方程 86
5.2.3 序參數(shù)的自由能函數(shù) 87
5.3 Landau-deGennes理論 88
5.3.1 臨近相變點(diǎn)的自由能表達(dá)式 88
5.3.2 磁場調(diào)控的向列型分子排列 91
5.4 向列序的空間梯度效應(yīng) 93
5.4.1 非均勻序狀態(tài)的自由能泛函 93
5.4.2 無序相中的梯度項(xiàng)效應(yīng) 93
5.4.3 有序相中的梯度項(xiàng)效應(yīng) 95
5.4.4 Freedericksz相變 96
5.5 棒狀粒子各向同性-向列型相變的Onsager理論 98
5.6 小結(jié) 99
延展閱讀 100
練習(xí) 100
第6章 布朗運(yùn)動(dòng)和熱漲落 103
6.1 小粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng) 103
6.1.1 時(shí)間關(guān)聯(lián)函數(shù) 103
6.1.2 時(shí)間關(guān)聯(lián)函數(shù)的對稱性 105
6.1.3 速度關(guān)聯(lián)函數(shù) 106
6.2 自由粒子的布朗運(yùn)動(dòng) 107
6.2.1 粒子速度的朗之萬方程 107
6.2.2 隨機(jī)力的時(shí)間關(guān)聯(lián) 108
6.2.3 愛因斯坦關(guān)系 109
6.3 勢場中的布朗運(yùn)動(dòng) 110
6.3.1 粒子坐標(biāo)的朗之萬方程 110
6.3.2 簡諧勢中的布朗運(yùn)動(dòng) 111
6.4 一般形狀粒子的布朗運(yùn)動(dòng) 113
6.4.1 粒子構(gòu)象的朗之萬方程 113
6.4.2 倒易關(guān)系 114
6.5 漲落-耗散定理 115
6.5.1 漲落和物質(zhì)參數(shù) 115
6.5.2 隨機(jī)力的時(shí)間關(guān)聯(lián) 116
6.5.3 廣義愛因斯坦關(guān)系 119
6.6 小結(jié) 121
延展閱讀 121
練習(xí) 121
第7章 軟物質(zhì)動(dòng)力學(xué)的變分原理 126
7.1 顆粒-流體體系動(dòng)力學(xué)的變分原理 126
7.1.1 黏性流體中的顆粒運(yùn)動(dòng) 126
7.1.2 顆粒運(yùn)動(dòng)的變分原理 127
7.1.3 流體流動(dòng)的變分原理 128
7.1.4 例子:多孔介質(zhì)中的流體流動(dòng) 129
7.2 Onsager原理 132
7.2.1 狀態(tài)變量的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 132
7.2.2 控制外部參量所需的力 134
7.3 稀溶液中的粒子擴(kuò)散 134
7.3.1 粒子擴(kuò)散和布朗運(yùn)動(dòng) 134
7.3.2 從宏觀力平衡推導(dǎo)擴(kuò)散方程 135
7.3.3 用Onsager原理推導(dǎo)擴(kuò)散方程 136
7.3.4 擴(kuò)散勢 137
7.4 濃溶液中的粒子擴(kuò)散 138
7.4.1 集體擴(kuò)散 138
7.4.2 沉積 139
7.4.3 作用于半透膜上的力 140
7.5 棒狀顆粒的轉(zhuǎn)動(dòng)布朗運(yùn)動(dòng) 141
7.5.1 轉(zhuǎn)動(dòng)布朗運(yùn)動(dòng)的描述 141
7.5.2 構(gòu)型空間中的守恒方程 141
7.5.3 Smoluchowskii方程 142
7.5.4 時(shí)間關(guān)聯(lián)函數(shù) 143
7.5.5 磁弛豫 144
7.5.6 角空間中的擴(kuò)散方程 146
7.6 小結(jié) 147
延展閱讀 148
練習(xí) 148
第8章 軟物質(zhì)中的擴(kuò)散和滲透 151
8.1 軟物質(zhì)溶液的空間關(guān)聯(lián) 151
8.1.1 長程關(guān)聯(lián)性溶液 151
8.1.2 密度關(guān)聯(lián)函數(shù) 153
8.1.3 散射函數(shù) 154
8.1.4 時(shí)空關(guān)聯(lián)函數(shù) 156
8.1.5 長波極限 157
8.1.6 摩擦常數(shù)和擴(kuò)散常數(shù)的關(guān)聯(lián)效應(yīng) 158
8.1.7 小尺度下的密度關(guān)聯(lián) 159
8.2 粒子沉積中的擴(kuò)散形變耦合 160
8.2.1 擴(kuò)散中介質(zhì)的運(yùn)動(dòng) 160
8.2.2 粒子沉積的連續(xù)性描述 161
8.3 相分離運(yùn)動(dòng)學(xué) 163
8.3.1 熱力學(xué)不穩(wěn)定態(tài)的相分離 163
8.3.2 相分離的前期階段 165
8.3.3 相分離的后期階段 167
8.4 凝膠中的擴(kuò)散形變耦合 169
8.4.1 滲透和形變耦合 169
8.4.2 凝膠動(dòng)力學(xué)基本方程 170
8.4.3 濃度漲落 172
8.4.4 在拉伸的凝膠薄片中溶劑擴(kuò)散導(dǎo)致的力弛豫 173
8.4.5 溶劑擴(kuò)散導(dǎo)致的力學(xué)不穩(wěn)定性 176
8.5 小結(jié) 177
延展閱讀 177
練習(xí) 177
第9章 軟物質(zhì)的流動(dòng)和變形 181
9.1 軟物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì) 181
9.1.1 黏度、彈性和黏彈性 181
9.1.2 線性黏彈性 183
9.1.3 復(fù)數(shù)模量 185
9.1.4 非線性黏度 186
9.1.5 本構(gòu)方程 187
9.2 分子模型 189
9.2.1 應(yīng)力張量的微觀表達(dá)式 189
9.2.2 由Onsager原理導(dǎo)出的應(yīng)力張量 191
9.2.3 聚合物流體的黏彈性 192
9.3 非纏結(jié)聚合物的黏彈性 193
9.3.1 啞鈴模型 193
9.3.2 啞鈴模型和贗網(wǎng)絡(luò)模型 197
9.3.3 Rouse模型 198
9.4 纏結(jié)聚合物的黏彈性 199
9.4.1 纏結(jié)效應(yīng) 199
9.4.2 蠕動(dòng)理論 201
9.4.3 應(yīng)力松弛 203
9.4.4 實(shí)際系統(tǒng)中的纏結(jié) 205
9.5 棒狀聚合物 207
9.5.1 棒狀聚合物溶液 207
9.5.2 稀溶液的黏彈性 208
9.5.3 各向同性相濃縮溶液的黏彈性 210
9.5.4 向列型溶液的黏彈性 213
9.6 小結(jié) 213
延展閱讀 213
練習(xí) 214
第10章 離子軟物質(zhì) 217
10.1 解離平衡 217
10.1.1 簡單電解質(zhì)中的解離平衡 217
10.1.2 巨電解質(zhì)中的解離平衡 219
10.2 離子凝膠 221
10.2.1 離子凝膠的自由離子模型 221
10.2.2 電中性條件 221
10.2.3 Donnan平衡 222
10.2.4 聚電解質(zhì)凝膠的溶脹 224
10.3 界面附近的離子分布 224
10.3.1 電雙層 224
10.3.2 泊松-玻爾茲曼方程 226
10.3.3 德拜長度 226
10.3.4 電中性條件和泊松-玻爾茲曼方程 228
10.3.5 帶電表面附近的離子分布 228
10.3.6 帶電表面的面間勢 229
10.4 電動(dòng)現(xiàn)象 232
10.4.1 凝膠和膠體中的電動(dòng)現(xiàn)象 232
10.4.2 離子凝膠中的電力耦合 233
10.4.3 電解質(zhì)溶液中離子分布的動(dòng)力學(xué)方程 235
10.4.4 狹窄通道中離子的運(yùn)動(dòng) 236
10.4.5 帶電顆粒的電泳 239
10.5 小結(jié) 240
延展閱讀 241
練習(xí) 241
附錄A 連續(xù)(介質(zhì))力學(xué) 243
A.1 材料中的力 243
A.2 應(yīng)力張量 244
A.3 本構(gòu)方程 246
A.4 對材料做的功 246
A.5 理想彈性材料 248
A.6 理想黏性流體 250
附錄B 受限自由能 252
B.1 受限體系 252
B.2 受限自由能的性質(zhì) 253
B.3 限制力方法 254
B.4 例子1：平均力勢 255
B.5 例子2：液晶的Landau-de Gennes自由能 255
附錄C 變分微積分 257
C.1 函數(shù)偏微分 257
C.2 泛函的泛函微分 258
附錄D 倒易關(guān)系 260
D.1 廣義摩擦力的流體動(dòng)力學(xué)定義 260
D.2 倒易關(guān)系的流體動(dòng)力學(xué)證明 261
D.3 倒易關(guān)系的Onsager證明 263
附錄E 材料響應(yīng)和漲落的統(tǒng)計(jì)力學(xué) 265
E.1 Liouville方程 265
E.2 時(shí)間關(guān)聯(lián)函數(shù) 266
E.3 平衡響應(yīng) 267
E.4 非平衡響應(yīng) 269
E.5 廣義愛因斯坦關(guān)系 272
附錄F 從朗之萬方程到Smoluchowskii方程的推導(dǎo) 273
附錄G 習(xí)題答案 275
索引 325