大家好!今天在谈“什么是软物质”前,我们先回顾一下物质的形态。一般情况下,物质有三态,分别为气态、液态和固态。我们熟知的水的三种状态分别是水蒸气、液态水和冰。这三类物态可以互相转化,我们称之为物质的相变——固态可以通过升华成为气态(这里固态指晶体的固态,它的微观结构是有序排列的),反之为凝华;固体可以融化为液体,反之为凝固;气体可以液化为液体,反之则为气化。
液态水以上只是关于相变最基础的内容,事实上,真实世界中的物质不只有三态。比如生活中最常见的玻璃,就很难划分它是固体还是液体。虽然玻璃外观是固态,但它的原子尺度上的排布是“远程无序”的,类似结构的还有沥青、松香等,它们表现出更像液态。在欧洲一些古老的教堂中,玻璃下半部分比上半部分更厚,部分学者认为“玻璃在重力作用下缓慢地向下流动,就像水一样往下流,使得其下半部分相对厚一些”。对于这种些神奇的物质,科学家给它们定义了新的形态——玻璃态。小小的玻璃与人类文明的进步和繁荣紧密相连。年前,古巴比伦人制造出来了世界上第一块人造玻璃,古希腊人用“流动、熔融的石头”来描述玻璃;我国在年前制造出了无色半透明的的“琉璃”。
玻璃与玻璃类似,处于固体和理想流体之间的物质就是软物质,又称软凝聚态物质。一般由大分子或基团组成,包括液晶、聚合物、胶体、膜、泡沫、颗粒物质、生命体系物质(如DNA、细胞、体液、蛋白质)等。可以是固-液混合物、液-液混合物、气-液混合物等。在自然界、生命体、日常生活和生产中广泛存在。随处可见的橡胶、胶水、墨汁、洗涤剂、涂料、化妆品、食品等都属于软物质。
软物质软物质对外界微小作用的敏感是软物质之“软”的含义来源。软物质的“软”是指受很小的外界作用会产生大的变化的特性。这种外界作用因对于不同体系而不同。比如加一点卤水可使豆浆变成豆腐;加一些骨胶就可使墨汁稳定而不沉淀;非常小的电场可容易地改变液晶分子显示的状态;硫化橡胶是通过掺入微量硫(硫原子和碳原子之比为1∶)而使其由液体转变成了有弹性的固体。
没有比较便没有特点——软物质与简单流体和固体对比,可看出它的独特优势了!简单流体中的分子可自由地变换位置,位置互换后的性质不发生变化。而理想固体的分子的位置也是固定的。软物质则具有复杂的情况,有些是大分子或基团内的分子受到约束,不可自由互换。大分子或基团其间是弱连接,如聚合物溶液、液晶、胶体和颗粒物质等;有些是基团内外分别是可以互换的流体分子,而基团内外它们不可以互换,如液-液混合物和气-液混合物。以果冻和冰为例,果冻是由明胶分子和水组成,明胶分子通过水而弱连接在一起,因而很柔软,有较大的弹性。冰的硬性和强度起因于它的分子组成。冰中水分子是一个个紧密堆积的,分子间有强的相互作用,需要很大的作用力才可使冰发生变化。很强的挤压会破坏冰中原子间的结合,出现脆性破裂。冰是硬物质,果冻是软物质。软物质“软”的原因还与其组成分子聚集态的复杂性有关。
软物质的另外一大基本特性是自组织,软物质不具有旋转对称性或平移对称性,而形成特殊的相干序,具有空间膨胀对称性,或称缩放对称性。聚合物分子在溶液中的每一片段都会以无规行走的形式相对于它的前一片段随机扩展,无规行走步与步间的关联是无规的,而步在空间上的分布却并非无规,表现出自组织行为。胶体中颗粒的集聚也是如此,相邻颗粒无规地连接,而整体是有规的分布。但它的密度并非像一般固体或液体那样的均匀分布,而以随距离减小的规律分布,呈分形行为。用不同放大率观察聚合物分子溶液和胶体中颗粒的聚集,只要不放大到能看到分子组分,则不同放大倍数的图像看上去是一样的,即具有空间缩放对称性。几乎所有软物质都遵从这种规律。软物质的基本特征可总结为“小作用,大变化”,即在外界微小的作用下可能产生结构或性能上的显著变化。
近年来,人们的生活水平不断提升,对于食品的要求也在不断提高,由软物质研究开发出来的凝胶得到了广泛应用,在食品工业中发挥着重要作用。凝胶在人造奶油、酱制品、肉糜、糖果等食品工业领域的应用尤为突出,成就了这些食品加工的高效性和实用性。
在酱制品制作中的应用:酱制品使人们的食品调味中不可缺少的产品,就拿花生酱来说,这类酱制品的原料中富含脂肪、纤维素、蛋白质等,味道也香醇,因此是人们食品调味中的佳品之一,但是,花生酱在存放期间容易出现表面的析油现象,而底层出现沉淀,这样就会出现油脂和酱料的分离现象,这对于酱制品的质量和储存日期也会产生较大的影响,也是我国花生酱食品工业发展中的主要阻碍因素之一。就花生酱的生产制作材料来看,其中含有一定数量的人造奶油,这主要是为了提升酱制品的口感,根据上述对于人造奶油中添加凝胶剂的研究,可以推论在酱制品制作中,使用这种凝胶剂生产的人造奶油,将可能改善酱制品的产品稳定性,与此同时,还能有效降低食品中的饱和脂肪酸以及反式脂肪酸的摄入。
软物质有其独特的性质,作为软物质的一种类型,凝胶物质在食品工业中的应用比较广泛,相关研究也比较多,实践证明,凝胶物质在食品中的应用,能够有效提升食品的稳定性,促进食品质量的提升,具有较大的材料优势。相信随着相关研究的进一步深入,软物质在各个领域都将会得到很好的发展。
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