三）液晶物理学进展
1．液晶的早期发现与研究①
液晶的发现通常追溯到1888年，奥地利植物学家赖尼泽尔（Reinitzer,F.）的实验
工
作。他把 薮急剿崦讣尤鹊?45.5℃时，发现晶体融成一片混浊的液体，继续加热到1
78
.5℃时，混浊的液体又变得清澈透明。把液体冷却，液体又从紫、橙到绿各色变化。开
始
时，他认为这种物质具有两个熔点，并怀疑是由某种不纯因素造成的。在同年，他把这
一
现象告诉德国卡斯鲁尔大学物理学家勒曼（Lehmann,O.）。勒曼是晶体光学研究的创始
人
，并首次把偏光显微镜用于晶体研究。在偏光显微镜下，勒曼发现，这种奇异的液体具
有
与晶体类似的双折射性质。他首次把这种状态的液体命名为液晶。
液晶的发现本应成为诺贝尔获奖的项目，未能实现的原因之一是确定首先发明人比
较
困难。勒曼曾被数次提名参加诺贝尔奖候选，由于赖尼泽尔与之争夺液晶发明权而未能
成
功。事实上，谁先发明液晶确实难以确定。在1887年，第一个诺贝尔化学奖的得主，荷
兰
化学家范托夫 （Van′t Hoff， Jacobus Henricus1852～1911）就发现了螺旋状液晶的
光
活性。他曾把这一发现写信告诉勒曼。这封信已被印在一些有关液晶的书籍上。液晶发
现
未获诺贝尔奖的第二个原因是，当时的一些知名学者对是否存在液晶表示怀疑。曾因建
立
热力学第二定律获得1920年诺贝尔化学奖的能斯脱（Nernst，Hermann Walter 1864～
19
41）就坚持认为，液晶只不过是液体与晶体的胶体体系。尽管在早期，也就是本世纪20
年
代以前，已经用各种方法合成出300多种以上的液晶，不少人为液晶的生存权向权威人士
努
力抗争，例如弗里德尔（G.Fritdel）曾在20年代以200页左右的论文详细地论证了液晶
与
液体、晶体的区别，并把液晶分为层状相、丝状相和螺旋相三大类，然而在当时，许多
物
理学与化学工作者的兴奋点转向了繁荣兴起的量子力学，液晶研究已被量子力学成功的
浪
潮所淹没。
1933年，法拉第学会召开的研讨会上，液晶首次得到正式承认。在这次会议上，弗
里
德里克兹（Freedericksz）报告了磁场对液晶分子排列的转变效应。从30到60年代的30
多
年间，关于液晶形成了两大理论体系。一是宏观的连续体理论，该理论利用质心速度和
分
子平均单位取向矢量——指向矢——描述液晶长棒状分子的运动。1961年和1968年，J.
埃
里克森和F.M莱斯利分别建立了向列相和胆甾相的流体动力学非线性方程。该理论表明，
向
列相和胆甾相具有五个粘滞系数，质心运动与分子转动互有影响。胆甾相的运动与温度
有
关，它的流体力学方程已被实验所证实。另一个理论为液晶的⒐劾砺郏慕⒕?了
一段很长的曲折过程。液晶发现后，曾吸引玻恩、德布罗意、玻色等一些著名物理学家
投
身到这一领域研究。早期液晶的微观理论，称为分子群落学说，它就是由玻色所倡导，
后
经洛仑兹的学生奥恩斯丁（Ornstein）与卡斯特（Kast）正式上升为理论。该学说认为
，
液晶是分子群落的混成体。根据丝状液晶的散射本领比普通液体强得多这一实验事实，
该
理论认为，普通液体的散射来自单个分子的布朗运动；而液晶的散射则来自分子群落的
起
伏涨落。他们根据液晶对光的散射强度，推算出散射截面的直径为0.1μm，因而每个分
子
群落约含有105个分子。群落间的相互作用很弱，排列杂乱无章，由于折射率不均匀而造
成换 浊，然
而在外场作用下，极化扭转致使分子群落趋向排列整齐，而使液晶透明。这一理论在物
质
的分子、原子层次之上，又增添了一个“群落”的新层次。无论证实还是否定它，都将
是
对物理学的基础性贡献。
2．德燃纳对液晶基础性研究的贡献
德燃纳（de Gennes，Pierre Gilles 1932～）年仅26岁时，便被任命为巴黎大学固
体
物理学教授，在该校讲授金属与合金的超导理论。在这一时期，正处于液晶显示技术发
明
所掀起的世界性液晶研究之中，此时，德燃纳受命在巴黎大学组建液晶研究小组。
很
快地，这一研究组在液晶光电效应的研究方面做出了卓越的贡献。与世界同行，特别是
与
美国同行相比，德燃纳研究组更侧重于液晶的基础性研究，使他很快地成为该学科中有
影
响的人物。
德燃纳首先抓住了液晶光的反常散射这一基础性课题。他放弃了分子群落学说，而
以
连续体理论中的指向矢作为基本概念，把指向矢的热起伏涨落作为液晶反常光散射的理
论
出发点。他认为，由指向矢空间运动的傅立叶变换，可以把涨落转化为波矢空间谐振子
的
振动。然后，根据经典统计力学的能量均分定理，就可以得出液晶与普通液体光散射截
面
之比，该比值为105～106，恰好为光波长与分子尺度比值的平方。这一理论结果很快被
实
验所证实。德燃纳的这一成果，不仅说明了早期分子群落所说明的现象，而且还更具有
说
服力地证明了液晶散射光所表现出来的退极化，这正是1951年被卡特林（Chatelain）实
验
观测到，却不能由分子群落理论说明的一个关键的现象。德燃纳的这一理论发现，使统
治
液晶研究几十年的分子群落理论走向衰亡。在此同期，在随着液晶显示技术带来的液晶
研
究中，不少物理与化学家被卷入到液晶研究。其中有因Ising模型二维严格解，同时
建
立从普通铀238中分离铀235的气体扩散法基础理论而闻名于世，并获得1968年诺贝尔化
学
奖的美国化学家翁萨格（Onsager，Lars 1903～1976），他建立了“硬柱”模型丝状液
晶
相变理论。建立类似液晶理论的还有因研究高分子聚合物，并研制成功尼龙、氯丁橡胶
而
闻名于世，并获得1974年诺贝尔化学奖的美国化学家弗洛里（Flory， Paul John1901～
） ３
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┤讼啾龋氯
寄筛晒Γ坑屑氐刈プ×死实涝?937年建立的二级相变理论。这一理论把系统
的
自由能密度在相变点附近，展开成序参数及空间微分的幂级数。与平均场理论相比，它
不
仅数学上更简洁，还能得到平均场未能发现的新维数，而且更容易推广应用到一级相变
，
即丝状相——各向同性相变。
德燃纳首先构造出用于阐明丝状相与层状相的相变理论，这一研究使他注意到了液
晶
与超导体间的相似性。在层状相分子层排列的周期性中，他增加了一个复数有序参量，
用
来描述分子的密度函数。他发现，这一函数与描述电荷超流体的朗道-金兹堡自由能密度
完
全相似。他首先指出，应该能在层状相液晶中找到超导体中对应的效应。由于丝状相与
层
状相相变理论的研究成果，德燃纳获得了1991年诺贝尔物理奖。德燃纳1973年出版的首
部
关于液晶理论的专著《液晶物理》已成为这一领域的权威性著作①。
70年代末，液晶基础理论研究获得的成果，促进了一些相关技术领域的飞速发展。
液
晶显示广泛地应用到各种电器仪表，液晶平板彩色电视已从试制走向商品化大规模生产
。
德燃纳被任命为巴黎物理化学学院院长。此时，他的研究课题转向化学与物理的一门交
叉
学科——高分子聚合物物理。由70年代发展起来的，如中子衍射、激光非弹性散射等新
实
验手段为高分子长链在大尺度范围的构型研究准备了条件。而在70年代发展起来的密度
泛
函、费因曼图与重正化等理论工具，又使人们从高分子链排列的统计力学与相变理论联
系
间找到许多新的标度规律。德燃纳运用他处理液晶相变时简捷的数学技巧，再一次在新
的
方向上做出了不少创造性的工作。1979年他所出版的专著《高分子聚合物物理的标度概
念
》成为他又一部传世之作②。1958年以来，这位液晶基础性研究的巨匠又开始了生物膜
的
研究。根据与铁电液晶的类比，他敏锐地判断出，利用由日本两个实验室同时发现的人
工
合成手征生物膜的螺旋构形，可以解释生物膜的机理。1988年他又出版了一部关于生物
膜
的专著③。
3．液晶生物膜研究④
早在1854年，对细胞学的创立做出决定性贡献的德国病理学家魏尔啸（Virchow，R
ud
olph Carl 1821～ 1902）就发现，神经细胞髓聚脂溶液具有偏光性，这本是液晶的重要
特
征之一。1933年，法拉第液晶讨论会上，生物结构的液晶性质被正式提出来讨论。1965
年
，在肯特（Kent）召开的第一届国际液晶会议上，生物液晶已被列为正式议题。1974年
，
在斯德哥尔摩召开的第五届国际液晶会议上，人们把生物膜与溶致液晶正式联系在一起
进
行讨论。
生物液晶研究的起点是关于红血球的形状问题。其实，固体与液面的形状自始至终
都
是凝聚态物理的难题。晶体表面形状、各种液面的形状曾一次次地困扰着人们。1901年
，
伍尔夫（Wulff）曾利用表面能极化变分确定晶体表面形状。60年代又得到了伍尔夫定理
对
二维晶体的严格证明，但对三维晶体的证明至今未能解决。虽然液面形状方程早在1806
年
就由拉普拉斯给出，但是关于 试 泡的球面解唯一性的严?证明，直到本世纪50年代才
由
前苏联几何学家亚历山大洛夫完成。为了这一工作，他开拓了曲面整体微分几何的多种
研
究方法。同样，红血球细胞的形状也是一个奇异而古老的难题。
自显微镜发明之后，人们很快就发现了一个令人感到奇异的现象，人体红血球呈奇
异
的双凹碟形。从60年代到70年代初，这个问题曾吸引许多生物与物理学家，他们尝试从
不
同角度提出各种模型进行解释。1968年，冯元桢与汤（Tong）曾从薄壳力学角度，给出
了
红血球的计算模型。这个模型类似两个弹 员】前 各向同性液体的“三明治”，为使
薄
壳呈向内凹状，必须假定薄壳厚度是不均匀的，然而这个假设与显微镜的观察并不一致
。
同一年，罗佩兹（Lopez）等人从电学角度做了解释，认为向内双凹的原因是中间膜部分
带
电与四周不同的结果。这一假设又被实验所否定。1969年，史里瓦斯塔夫（Shrivastav
）
和布顿（Button）又假定红血球膜的相向部分，存在有某种长程力，中间的双内陷正是
这
种引力的结果。这个说法又被电镜的检验否定。还有人把双凹成因归结为膜中胆固醇分
布
不均匀，中心部分含量少造成边缘有较大的内应力向外弯去；中间部分含量多内应力小
而
由内凹变为平坦。然而实验发现，胆固醇在膜上的分布是均匀的。1970年，加拿大一位
生
物力学家卡恩汉（Can－han）从弹性势能最小状态提出了一个数学模型。他令H为膜面平
均
曲率，膜面弹性势能E=∮（2H）2dA应呈最小值，由此经过计算机模拟，恰好得到双凹碟
形
状态。然而，在 1976年，有人否定了这一结果，因为可以证明，杠铃状也能满足表面膜
弹行允颇
茏钚≈档囊螅墒钦庵中巫吹暮煅蛉创游醇焦Ｓ纱耍煅虻男巫
闯晌桓龀て
谛唇庵铡?0年代液晶的基础理论逐渐趋于成熟，把对生物膜的研究与液晶联系起
来
，红血球的形状问题才得到了初步解决，与此同时，生物液晶的研究也由此正式开始。
应用液晶基础理论，首先对红血球形状做出较成功解释的是德国的海尔弗里奇（W.
He
lfrich）。1968年，美国无线电公司（RCA）的海尔梅尔（G.Heilmeier）发现液晶显示
技
术，掀起了研究液晶的，海尔弗里奇正在美国无线电公司工作。70年代初，他回到
欧
洲进入瑞士罗切公司工作，仍从事液晶显示技术研究。1971年，他与该公司的夏德特（
Sc
hadt）一起，发明了扭曲丝状液晶场效应，这一发明
导致了液晶显示技术实现工业化，使液晶技术在全世界迅速发展。红血球形状问题同样
吸引了海尔弗里奇，他认为只有从液晶的角度出发，才能得到正确的解答。海尔弗里奇
从
瑞典的欧辛（C.Oseen）与英国的弗兰克（F.C.Frank）建立的液晶弹性理论出发，将指
向
矢概念引入到该理论的弹性能公式，导出了弯曲膜的弹性自由能公式，F＝（k/2）∮（
2H
+C0）2dA＋k∮KdA+△p∮dV＋λ∮dA，其中H与K分别为膜面的平均曲率与高斯曲率，△
p及
λ则是膜内外渗透压差及膜表面张力，k及是液晶的弹性系数及其与膜厚度的乘积。理论
推
得k与的数量级为10-11尔格，已被实验证实。1987年，中国物理工作者欧阳仲灿与海尔
弗
里奇利用对弯曲膜弹性自由能 F进行变分，得到了人工生物膜形状的曲面方程。1993年
，
欧阳仲灿又与另两位中国物理工作者胡建国、刘寄星等人证明，红血球的双凹碟形恰为
该
曲面方程的解。由于这一难题的破译是在液晶模型框架下完成的，细胞膜非液晶莫属。
80
年代末，海尔弗里奇的膜自由能已被进一步引作二维系统的哈密顿量。在此基础上，物
理
学界中开展了随机表面与量子膜的研究，这一研究意义深远。德燃纳在诺贝尔物理奖获
奖
讲演中，曾把它与超弦理论联系在一起，认为“ 试 泡的描述概念与高智商的超?理论
思
想，在某种程度上如出一辙。”海尔弗里奇的液晶生物膜理论问世以后，这种复杂的数
学
描述并未被膜研究的生物工作者所立即接受。1990年，欧阳仲灿由海尔弗里奇方程得到
了一一种称
位沸闻莸幕沸吻娼狻Ｕ飧鼋獯嬖谟幸桓隹量痰
陌屠韪呤κ笛槭宜な怠Ｋ窃谌斯ど锬ぶ锌吹搅舜笮〔坏鹊?4个环形
1992年，该实验室又从实验中发现了非对称的环形泡，1993年，欧阳仲灿再次证明
，
这种称为杜邦环面的非对称环形泡是海尔弗里奇方程的又一个精确解。这是一个理论指
导
实验发现，实验推动理论研究的极其生动的事例。它不仅密切了物理与生物两大学科的
沟
通与合作，而且进一步把液晶生物膜的研究推向。在液晶生物膜研究中，理论凝聚
态
物理与生物科学相互渗透与交叉的另一个生动的事例是手征生物膜的研究。手征生物膜
属
螺旋相液晶。人们很早就发现，在众多的生物形态中，像海螺、蜗牛、螺旋细菌、各种
盘
缘植物等的螺旋状形态非常普遍。就是在组成生物的各个层次中，也普遍存在着手征不
对
称，如地球上发现的氨基酸多为左旋，蛋白质和DNA基本上是右旋。曾有许多人对这一现
象
感兴趣，因为这种不同层次的生物结构对某种旋向的倾向，一定与生命起源与进化这一
更
深层次的奥秘有关。
80年代初，中国物理学者林克椿曾对天然生物膜的螺旋结构进行研究。1984年，日
本
有两个实验室同时发现了同一类手征分子组成的人工生物膜的螺旋结构。在较高的温度
下
，这类膜呈闭合泡状，温度降到某一临界温度下，泡解体，膜分子重新凝聚为一扭曲的
螺
带。随着温度的再降低，螺带不仅沿轴生长，而且还能像细藤一样，沿轴缠绕，螺角接
近
45°，螺矩 0.1～10μm。这种细藤带不仅能沿轴伸长，还能沿横向加宽，最后使螺矩
间
闭合而形成一条中空的细管。立刻有人从这种奇妙的特性中看到了它的价值。1990年，
美
国海军实验室发明了在这种细管上镀金或镀铜的技术。镀金或铜后，这种管子可用于光
电
技术、微形手术和制作药物导弹等。这种把生物工程用于微结构加工与医疗技术的大胆
尝
试，不仅表明生物膜研究在生命科学实用性方面的巨大潜力，也进一步促使理论界跻入
破
译生物膜自动卷曲与螺旋结构奥秘的竞争行列。
1987年，德燃纳曾把生物膜的卷曲力归结为分子铁电性与边缘极化电荷的相互作用
。
1986年海尔弗里奇则把螺旋卷曲归结为膜边缘处的挠曲弹性，并把线弹性密度写为Fr=k
rs
in?cos?，其中?为螺角。1988年，海尔弗里奇与普洛斯特（Prost）把挠曲弹性的解释推
广
到膜表面，不仅解释了缠绕的藤带形态，还说明泡解体后所形成的扭曲螺带形态。90年
代
，欧阳仲灿与刘寄星从液晶本质出发，从头计算了螺旋膜结构。他们认为，手征生物膜
在
温度降低时，分子发生倾斜。由于分子具有手征性，倾斜取向不平行，而形成螺旋状排
列
。他们把Oseen-Frank液晶自由能项对体积积分，得到手征膜自由弹性能的表述式。其中
一
项就是与线场测地挠率相关的能量项，它恰与分子的倾斜与手征性相关。他们由膜与线
场
能量的变分得到了曲面与线场的平衡方程，从方程的解恰好得到了膜从泡形到扭曲带，
再
从扭曲带变化到柱形螺带的变化过程，不仅与实验的观察相符合，而且得到了螺管的半
径
与螺矩同为一个数量级，即0.1～10μm。他们的工作不仅使观察到的现象与观测到的数
据
有了完全清晰的理论根据，而且极大地推动了手征生物膜的理论研究。液晶生物膜理论
是
70年代才发展起来的一门新兴边缘学科。在短短的20多年的时间里，中国的理论物理工
作
者就取得了一系列令人瞩目的成果。其中形状方程的导出、红血球精确解的得出，
环形膜泡的发现和手征生物膜理论的建立等均出自中国学者之手。在这一前沿领域中，
中国物理工作者不仅占有一席之地，而且已经有着重要的影响①。
