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中国学科发展战略 软凝聚态物理学 上 国家自然科学基金委员会 2020年版
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- 类 别：物理学书籍
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资料介绍
中国学科发展战略 软凝聚态物理学 上
作者：国家自然科学基金委员会
出版时间：2020年版
丛编项： 中国学科发展战略
内容简介
软物质广泛存在于自然界以及人类的生产生活中，泛指处于固体和理想流体之间的复杂凝聚态物质，如胶体、液晶、高分子等。软物质以其显著熵效应、高度非线性以及复杂多样结构等一系列特性引起了科学界的高度关注。近三十年多来，针对软物质的基础研究及应用开发取得了大量重要成果，形成了物理学的一个新的重要分支——软凝聚态物理学。《中国学科发展战略·软凝聚态物理学（上）》汇集国内外数十位专家，对当前该领域各个主要方向的发展历史、研究热点以及未来趋势进行了详细介绍，是读者全面了解软凝聚态物理学的实用指南。
目录
目录
总序 i
摘要 v
Abstract xvii
上
第一篇 绪论
一、软物质物理学的科学意义与战略价值 3
二、软物质物理学的发展规律和研究特点 5
三、学科的发展现状与发展态势 9
四、未来5～10年学科发展的关键科学问题、发展思路、发展目标和重要研究方向 12
五、有利于学科发展的有效资助机制与政策建议 24
第二篇 软物质的理论基础
第一章 软物质体系的主要理论 29
第一节 引言 29
第二节 软物质理论的背景与现状 30
一、液晶弹性理论 30
二、链弹性理论 31
三、聚合物的自洽场理论 32
四、标度理论 33
五、颗粒物质理论 33
六、软物质电磁相互作用理论 35
七、自组织现象 36
第三节 前沿问题以及未来重点发展的方向 37
第四节 结语 40
参考文献 40
第二章 高分子物理理论与模拟 47
第一节 引言 47
第二节 学科发展背景和现状 48
第三节 高分子物理的前沿问题 49
一、嵌段共聚物——纳米印刷术及复杂体系自组装 49
二、高分子体系的多尺度连贯研究 51
三、高分子的结晶动力学 53
四、高分子的玻璃化转变 56
五、聚电解质体系中的关联效应 58
六、高分子流变学 61
七、共轭高分子的光电性能 63
八、高分子交联网络 64
第四节 未来5～10年重点发展方向 66
第五节 结语 68
参考文献 69
第三章 蠕虫状链模型在高分子物理研究中的应用 73
第一节 引言 73
第二节 模型产生及发展的学科背景 74
第三节 最近30年研究进展 76
一、高分子液晶相结构及其转变的研究 78
二、几何表面对高分子体系的影响 80
三、蠕虫状嵌段共聚物自组装 83
第四节 前沿问题 86
第五节 未来5～10年蠕虫状链模型的重点发展方向 87
第六节 结语 89
参考文献 89
第四章 嵌段共聚物中的相和相变 94
第一节 引言 94
第二节 学科发展背景和现状 95
一、嵌段共聚物自组装行为 95
二、有序-无序相变 96
三、区域构成和尺度选择 97
四、有序-有序相变与相图 98
五、相变路径 99
第三节 嵌段聚合物的前沿问题 100
一、发现和理解多嵌段共聚物体系中的复杂结构 100
二、定向自组装 101
三、嵌段共聚物结构的相变路径 102
第四节 未来5～10年重点发展方向 102
一、发展高效方法研究多嵌段共聚物体系的自由能泛函 102
二、发展超越高斯链的模型：蠕虫链模型和手性高分子模型 102
三、分子之间相互作用更精确地表示：如硬核势和库仑势相互作用 103
四、理解亚稳态和非平衡态结构的作用 103
五、定向自组装：外场的影响，气相蒸发的建模 104
第五节 结语 104
参考文献 104
第五章 聚合物刷的计算机模拟研究 107
第一节 引言 107
第二节 发展历程 108
一、分子动力学 109
二、蒙特卡罗模拟 109
三、自洽平均场理论方法 110
第三节 最近二三十年的研究进展 111
一、解析自洽场理论 112
二、数值自洽场理论 112
第四节 学科前沿问题 113
第五节 与实际需求结合的重大问题 114
第六节 未来5～10年学科发展趋势 115
参考文献 116
第六章 软物质中的连续介质力学基础 119
第一节 引言 119
第二节 学科发展背景与现状 121
一、熵弹性 123
二、超弹性本构关系 126
三、黏弹性本构关系 130
四、多孔弹性介质本构关系 132
五、非牛顿流体本构关系 134
六、本构关系在软物质中的应用 136
第三节 学科前沿问题 143
第四节 未来5～10年重点发展方向 144
第五节 结语 145
参考文献 145
第七章 软物质系颗粒材料扩散行为建模 152
第一节 引言 152
第二节 颗粒材料扩散行为建模的研究进展 154
一、复杂几何颗粒材料重构 155
二、颗粒材料微结构表征 161
三、颗粒材料扩散建模 167
第三节 颗粒材料扩散建模的前沿问题 172
第四节 未来5～10年重点发展方向 173
第五节 结语 174
参考文献 175
第三篇 软物质的实验方法
第一章 软物质实验方法前沿：单分子操控技术 183
第一节 引言 183
第二节 单分子操纵技术及发展历程 185
一、弹簧限制 186
二、张力限制 187
三、单分子样品准备 188
四、单分子操控技术的高精度测量 189
五、单分子力学响应的理论分析 191
六、单分子操控技术的应用 193
第三节 未来5～10年学科发展趋势 196
参考文献 197
第二章 蛋白质力学特性的单分子力谱研究 199
第一节 蛋白质力学的重要性 199
第二节 从物理角度理解蛋白质力学特性 201
第三节 从结构角度理解蛋白质力学特性 204
一、蛋白质力学强度的决定因素 204
二、蛋白质拓扑结构与蛋白质力学强度之间的关系 205
三、如何人工调控蛋白质强度 206
四、蛋白质力学强度与拉伸方向之间的关系 207
第四节 研究蛋白质单分子力学特性的实验方法 209
第五节 原子力显微镜单分子力谱 210
一、原子力显微镜单分子力谱的原理 210
二、最新进展（提高稳定性、提高力分辨率、与荧光结合、高速原子力显微镜） 211
第六节 界面上的蛋白与固体相互作用 215
第七节 蛋白质力学从单分子到材料 216
参考文献 218
第三章 单分子荧光技术在生物物理研究中的应用 223
第一节 引言 223
第二节 单分子荧光技术的简单历史介绍 224
第三节 单分子荧光技术及对比 225
一、单分子荧光的特点 225
二、单分子荧光实现条件 226
三、近场和远场光学技术 227
四、单分子荧光共振能量转移谱 229
五、双光子/多光子激发成像 230
六、光学超分辨单分子荧光成像技术 231
第四节 单分子荧光技术应用 234
一、单分子荧光计数结合力谱技术揭示机械传感机制 234
二、细胞内直接追踪基于黏着斑蛋白的踝蛋白拉伸-松弛过程 237
三、活细胞中的基因表达 241
第五节 单分子荧光技术面临的挑战及展望 244
参考文献 245
第四章 摄像显微技术在实验软物质物理中的应用 250
第一节 引言 250
第二节 摄像显微技术 252
第三节 摄像显微图像处理 257
第四节 摄像显微技术的应用与前沿发展 259
一、胶体玻璃化转变 260
二、胶体结晶 263
三、胶体晶体的熔化 264
四、基于摄像显微技术的微观流变学 267
第五节 摄像显微技术的展望 268
参考文献 270
第五章 高分子超薄膜表征技术 274
第一节 引言 274
第二节 发展历程 275
第三节 研究进展 276
一、X射线分析技术 276
二、中子分析技术 281
三、其他高分子薄膜表征技术 287
第四节 学科前沿问题 292
第五节 与实际需求结合的重大问题 293
第六节 未来5～10年学科发展趋势 294
参考文献 294
第六章 小角散射技术在软物质表征中的应用 300
第一节 引言 300
第二节 发展历程 302
第三节 小角散射数据分析 303
第四节 最近二三十年的研究进展 304
一、生物大分子 304
二、高分子在胶体颗粒表面的结构 305
三、溶液自组装结构 305
四、胶体分散体系中的相互作用 306
第五节 学科前沿问题 306
第六节 与实际需求结合的重大问题 307
第七节 未来5～10年学科发展趋势 308
参考文献 309
第七章 癌细胞侵袭转移的实验方法 311
第一节 引言 311
第二节 发展历程 313
一、癌症转移级联过程模型 313
二、癌症转移概念的建立 315
第三节 近二三十年的研究进展 316
一、癌细胞的黏附力学性质研究 316
二、细胞体外侵袭和迁移研究 317
三、肿瘤转移过程的体外模拟和观测 321
第四节 学科前沿问题 326
一、癌细胞侵袭研究中需要解决的问题和意义 326
二、从二维平面迈向三维空间 326
第五节 未来5～10年学科发展趋势 330
参考文献 331
第四篇 软物质介观体系
第一章 超分子凝胶与介观结构 335
第一节 引言 335
第二节 发展历程 337
一、分子凝胶简介 337
二、超分子凝胶历史 338
第三节 最近二三十年的研究进展 340
一、超分子凝胶分类 340
二、超分子凝胶介观网络及其结构形成的原理 342
三、结构与宏观性能的关系 349
四、超分子结构分析 352
第四节 学科前沿问题 357
一、超分子材料的设计 357
二、超分子介观网络的调控 359
三、超分子材料的杂化与功能化 362
第五节 与实际需求结合的重大问题 364
一、药物传输 365
二、基因传输 365
三、生物成像 366
四、光动力治疗 366
五、组织工程 367
六、生物传感器 367
七、超分子在超强力学性能材料领域的应用 367
八、凝胶电解液 368
九、海洋石油污染 368
十、凝胶法大分子的分离 368
第六节 未来5～10年学科发展趋势 369
参考文献 370
第二章 手性超分子自组装与应用 381
第一节 引言 381
第二节 发展历程 382
一、手性分子 382
二、从手性分子到手性超分子 383
第三节 最近二三十年的研究进展 385
一、超分子手性的表征方法 386
二、超分子手性的手性传递和放大原则 388
三、手性分子自组装形成手性超分子结构 390
四、诱导超分子手性 396
五、非手性分子组装形成手性超分子 399
六、手性超分子材料的性能与应用 401
第四节 手性超分子材料前沿问题和应用需求中的重大问题 408
第五节 未来5～10年学科发展趋势 410
参考文献 411
第三章 从“纳米原子”到巨型分子 415
第一节 引言 415
第二节 巨型分子的发展历程 416
第三节 巨型分子的前沿问题之一：逆功能分析 420
第四节 巨型分子的前沿问题之二：精密合成 422
一、点击化学工具库 422
二、官能化的分子纳米粒子基元 424
三、巨型分子精密合成策略 426
第五节 巨型分子的前沿问题之三：可控组装 427
一、超分子晶
作者：国家自然科学基金委员会
出版时间：2020年版
丛编项： 中国学科发展战略
内容简介
软物质广泛存在于自然界以及人类的生产生活中，泛指处于固体和理想流体之间的复杂凝聚态物质，如胶体、液晶、高分子等。软物质以其显著熵效应、高度非线性以及复杂多样结构等一系列特性引起了科学界的高度关注。近三十年多来，针对软物质的基础研究及应用开发取得了大量重要成果，形成了物理学的一个新的重要分支——软凝聚态物理学。《中国学科发展战略·软凝聚态物理学（上）》汇集国内外数十位专家，对当前该领域各个主要方向的发展历史、研究热点以及未来趋势进行了详细介绍，是读者全面了解软凝聚态物理学的实用指南。
目录
目录
总序 i
摘要 v
Abstract xvii
上
第一篇 绪论
一、软物质物理学的科学意义与战略价值 3
二、软物质物理学的发展规律和研究特点 5
三、学科的发展现状与发展态势 9
四、未来5～10年学科发展的关键科学问题、发展思路、发展目标和重要研究方向 12
五、有利于学科发展的有效资助机制与政策建议 24
第二篇 软物质的理论基础
第一章 软物质体系的主要理论 29
第一节 引言 29
第二节 软物质理论的背景与现状 30
一、液晶弹性理论 30
二、链弹性理论 31
三、聚合物的自洽场理论 32
四、标度理论 33
五、颗粒物质理论 33
六、软物质电磁相互作用理论 35
七、自组织现象 36
第三节 前沿问题以及未来重点发展的方向 37
第四节 结语 40
参考文献 40
第二章 高分子物理理论与模拟 47
第一节 引言 47
第二节 学科发展背景和现状 48
第三节 高分子物理的前沿问题 49
一、嵌段共聚物——纳米印刷术及复杂体系自组装 49
二、高分子体系的多尺度连贯研究 51
三、高分子的结晶动力学 53
四、高分子的玻璃化转变 56
五、聚电解质体系中的关联效应 58
六、高分子流变学 61
七、共轭高分子的光电性能 63
八、高分子交联网络 64
第四节 未来5～10年重点发展方向 66
第五节 结语 68
参考文献 69
第三章 蠕虫状链模型在高分子物理研究中的应用 73
第一节 引言 73
第二节 模型产生及发展的学科背景 74
第三节 最近30年研究进展 76
一、高分子液晶相结构及其转变的研究 78
二、几何表面对高分子体系的影响 80
三、蠕虫状嵌段共聚物自组装 83
第四节 前沿问题 86
第五节 未来5～10年蠕虫状链模型的重点发展方向 87
第六节 结语 89
参考文献 89
第四章 嵌段共聚物中的相和相变 94
第一节 引言 94
第二节 学科发展背景和现状 95
一、嵌段共聚物自组装行为 95
二、有序-无序相变 96
三、区域构成和尺度选择 97
四、有序-有序相变与相图 98
五、相变路径 99
第三节 嵌段聚合物的前沿问题 100
一、发现和理解多嵌段共聚物体系中的复杂结构 100
二、定向自组装 101
三、嵌段共聚物结构的相变路径 102
第四节 未来5～10年重点发展方向 102
一、发展高效方法研究多嵌段共聚物体系的自由能泛函 102
二、发展超越高斯链的模型：蠕虫链模型和手性高分子模型 102
三、分子之间相互作用更精确地表示：如硬核势和库仑势相互作用 103
四、理解亚稳态和非平衡态结构的作用 103
五、定向自组装：外场的影响，气相蒸发的建模 104
第五节 结语 104
参考文献 104
第五章 聚合物刷的计算机模拟研究 107
第一节 引言 107
第二节 发展历程 108
一、分子动力学 109
二、蒙特卡罗模拟 109
三、自洽平均场理论方法 110
第三节 最近二三十年的研究进展 111
一、解析自洽场理论 112
二、数值自洽场理论 112
第四节 学科前沿问题 113
第五节 与实际需求结合的重大问题 114
第六节 未来5～10年学科发展趋势 115
参考文献 116
第六章 软物质中的连续介质力学基础 119
第一节 引言 119
第二节 学科发展背景与现状 121
一、熵弹性 123
二、超弹性本构关系 126
三、黏弹性本构关系 130
四、多孔弹性介质本构关系 132
五、非牛顿流体本构关系 134
六、本构关系在软物质中的应用 136
第三节 学科前沿问题 143
第四节 未来5～10年重点发展方向 144
第五节 结语 145
参考文献 145
第七章 软物质系颗粒材料扩散行为建模 152
第一节 引言 152
第二节 颗粒材料扩散行为建模的研究进展 154
一、复杂几何颗粒材料重构 155
二、颗粒材料微结构表征 161
三、颗粒材料扩散建模 167
第三节 颗粒材料扩散建模的前沿问题 172
第四节 未来5～10年重点发展方向 173
第五节 结语 174
参考文献 175
第三篇 软物质的实验方法
第一章 软物质实验方法前沿：单分子操控技术 183
第一节 引言 183
第二节 单分子操纵技术及发展历程 185
一、弹簧限制 186
二、张力限制 187
三、单分子样品准备 188
四、单分子操控技术的高精度测量 189
五、单分子力学响应的理论分析 191
六、单分子操控技术的应用 193
第三节 未来5～10年学科发展趋势 196
参考文献 197
第二章 蛋白质力学特性的单分子力谱研究 199
第一节 蛋白质力学的重要性 199
第二节 从物理角度理解蛋白质力学特性 201
第三节 从结构角度理解蛋白质力学特性 204
一、蛋白质力学强度的决定因素 204
二、蛋白质拓扑结构与蛋白质力学强度之间的关系 205
三、如何人工调控蛋白质强度 206
四、蛋白质力学强度与拉伸方向之间的关系 207
第四节 研究蛋白质单分子力学特性的实验方法 209
第五节 原子力显微镜单分子力谱 210
一、原子力显微镜单分子力谱的原理 210
二、最新进展（提高稳定性、提高力分辨率、与荧光结合、高速原子力显微镜） 211
第六节 界面上的蛋白与固体相互作用 215
第七节 蛋白质力学从单分子到材料 216
参考文献 218
第三章 单分子荧光技术在生物物理研究中的应用 223
第一节 引言 223
第二节 单分子荧光技术的简单历史介绍 224
第三节 单分子荧光技术及对比 225
一、单分子荧光的特点 225
二、单分子荧光实现条件 226
三、近场和远场光学技术 227
四、单分子荧光共振能量转移谱 229
五、双光子/多光子激发成像 230
六、光学超分辨单分子荧光成像技术 231
第四节 单分子荧光技术应用 234
一、单分子荧光计数结合力谱技术揭示机械传感机制 234
二、细胞内直接追踪基于黏着斑蛋白的踝蛋白拉伸-松弛过程 237
三、活细胞中的基因表达 241
第五节 单分子荧光技术面临的挑战及展望 244
参考文献 245
第四章 摄像显微技术在实验软物质物理中的应用 250
第一节 引言 250
第二节 摄像显微技术 252
第三节 摄像显微图像处理 257
第四节 摄像显微技术的应用与前沿发展 259
一、胶体玻璃化转变 260
二、胶体结晶 263
三、胶体晶体的熔化 264
四、基于摄像显微技术的微观流变学 267
第五节 摄像显微技术的展望 268
参考文献 270
第五章 高分子超薄膜表征技术 274
第一节 引言 274
第二节 发展历程 275
第三节 研究进展 276
一、X射线分析技术 276
二、中子分析技术 281
三、其他高分子薄膜表征技术 287
第四节 学科前沿问题 292
第五节 与实际需求结合的重大问题 293
第六节 未来5～10年学科发展趋势 294
参考文献 294
第六章 小角散射技术在软物质表征中的应用 300
第一节 引言 300
第二节 发展历程 302
第三节 小角散射数据分析 303
第四节 最近二三十年的研究进展 304
一、生物大分子 304
二、高分子在胶体颗粒表面的结构 305
三、溶液自组装结构 305
四、胶体分散体系中的相互作用 306
第五节 学科前沿问题 306
第六节 与实际需求结合的重大问题 307
第七节 未来5～10年学科发展趋势 308
参考文献 309
第七章 癌细胞侵袭转移的实验方法 311
第一节 引言 311
第二节 发展历程 313
一、癌症转移级联过程模型 313
二、癌症转移概念的建立 315
第三节 近二三十年的研究进展 316
一、癌细胞的黏附力学性质研究 316
二、细胞体外侵袭和迁移研究 317
三、肿瘤转移过程的体外模拟和观测 321
第四节 学科前沿问题 326
一、癌细胞侵袭研究中需要解决的问题和意义 326
二、从二维平面迈向三维空间 326
第五节 未来5～10年学科发展趋势 330
参考文献 331
第四篇 软物质介观体系
第一章 超分子凝胶与介观结构 335
第一节 引言 335
第二节 发展历程 337
一、分子凝胶简介 337
二、超分子凝胶历史 338
第三节 最近二三十年的研究进展 340
一、超分子凝胶分类 340
二、超分子凝胶介观网络及其结构形成的原理 342
三、结构与宏观性能的关系 349
四、超分子结构分析 352
第四节 学科前沿问题 357
一、超分子材料的设计 357
二、超分子介观网络的调控 359
三、超分子材料的杂化与功能化 362
第五节 与实际需求结合的重大问题 364
一、药物传输 365
二、基因传输 365
三、生物成像 366
四、光动力治疗 366
五、组织工程 367
六、生物传感器 367
七、超分子在超强力学性能材料领域的应用 367
八、凝胶电解液 368
九、海洋石油污染 368
十、凝胶法大分子的分离 368
第六节 未来5～10年学科发展趋势 369
参考文献 370
第二章 手性超分子自组装与应用 381
第一节 引言 381
第二节 发展历程 382
一、手性分子 382
二、从手性分子到手性超分子 383
第三节 最近二三十年的研究进展 385
一、超分子手性的表征方法 386
二、超分子手性的手性传递和放大原则 388
三、手性分子自组装形成手性超分子结构 390
四、诱导超分子手性 396
五、非手性分子组装形成手性超分子 399
六、手性超分子材料的性能与应用 401
第四节 手性超分子材料前沿问题和应用需求中的重大问题 408
第五节 未来5～10年学科发展趋势 410
参考文献 411
第三章 从“纳米原子”到巨型分子 415
第一节 引言 415
第二节 巨型分子的发展历程 416
第三节 巨型分子的前沿问题之一：逆功能分析 420
第四节 巨型分子的前沿问题之二：精密合成 422
一、点击化学工具库 422
二、官能化的分子纳米粒子基元 424
三、巨型分子精密合成策略 426
第五节 巨型分子的前沿问题之三：可控组装 427
一、超分子晶
