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第8章 液晶、双亲分子和生物膜

软物质所体现的弱作用强变化的特性,与其组成的分子有关。用作液晶显示器工作介质的丝状相(曾译作向列相)液晶分子,是一类长形有机分子,它由一个硬性中间部分与两个分别处于端部的柔性碳氢链组成。如果某种分子全由中间硬性部分组成,就无法成为液晶,因为这种物质在常温下将会形成十分坚固的固态晶体,而不会成为液体。因此,液晶分子两端的弹性长链是克服分子范德华力必不可少的缓冲器。用热纳的话说,这是万中选一的分子。分子的中间硬性部分使液晶体现晶体的各向异性。如光的各向导性、介电的各向导性。把软硬截然不同的部分融入一个分子之中,是软物质具有对弱力作用产生强烈变化物理原因。

把这种分子按螺旋方式排列在几微米厚的玻璃盒中,然后用几伏的低电压就可以控制和改变盒内液晶分子的排列(当然也改变其光学性质),这就是“扭曲丝状相液晶显示器”的基本工作原理。这种显示器消耗的能量微乎其微,这是软物质对当前信息时代的巨大贡献。如果没有这种极为节能的显示屏,手将电话、笔记本电脑、移动式电脑终端以及车载卫星定位器便不可能存在。信息时代是硬物质(硅半导体)与软物质(液晶)巧妙结合的时代。热纳把提出扭曲液晶显示原理的德国物理学:家黑尔弗里希(W.Helfrich)称为“当代伟大的科学家”。

热纳在其诺贝尔获奖演说中就表扬过黑尔弗里希,在那里不是指黑氏在液晶显示方面的贡献,而是指其对生物膜、红细胞形状研究所作的贡献。液晶的奇妙,得益于其分子融有软硬截然不同的性质。组成生物膜的脂质分子与组成洗洁精、肥皂的界面活性剂分子也体现着物质的组成分子之特征——很灵巧地在两个极端物理性质之间“游走”。

这类分子是“性格分裂”的,它的一端是羧基,具有强烈的亲水性,称之为极性端。极性端以外是流水的脂肪链结构,通常由10~20个碳氢基团组成,流水意味着亲油,因此这类分子统称为双亲分子。当双亲分子溶于水中,借助“双亲性质”,它们可以形成浮在水面的单层膜:亲水端快乐地浸在水里,疏水的脂肪链则把自己晾在水面上的空气中,就如同南极浮冰上的企鹅。在水中,双亲分子则形成双层膜:疏水脂肪链很乐意和有同样倾向的伙伴靠在一起,躲在中间;而极性端则向外形成亲水界面,舒适地泡在水中。双层膜和水分子层平行交错垒在一起就形成肥皂泡。双层膜弯曲起来,可以形成一个池。人体细胞正是以这种方式围成的,所以脂双层膜是生物膜的大致结构。当然实际的细胞膜还穿插有蛋白质和糖分子。

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