中国学科发展战略·软凝聚态物理学
第一篇绪论
一、软物质物理学的科学意义与战略价值
软物质泛指处于固体和理想流体之间的复杂的凝聚态物质，主要共同点是其基本单元之间的相互作用比较弱（约为室温热能量级），因而易受温度影响，熵效应显著，且易形成有序结构，处于这种中间状态的常见物质体系包括胶体、液晶、高分子及超分子、泡沫、乳液、凝胶、颗粒物质、玻璃、生物体系等。软物质不仅广泛存在于自然界，而且由于其丰富、奇特的物理学性质，在人类的生产生活中也得到广泛应用，常见的如液晶显示屏、塑料、橡胶、颜料、墨水、牙膏、清洁剂、护肤品、食品添加剂等。
由于其巨大的实用性及迷人的物理性质，软物质自 19 世纪中后期进入科学家视野以来，就不断吸引着来自物理、化学、力学、生物学、材料科学、医学、数学等不同学科领域的大批研究者，近二十年来更是快速发展成为一个高度交叉的庞大的研究方向，成为物理学的重要组成部分。这一方面是物理学自身走向复杂体系的必然趋势，另一方面也是由巨大的社会需求所推动的。
（一）来自物理学自身发展的内部需求
在软物质物理的早期历史上，很多享誉世界的大科学家如爱因斯坦、朗缪尔、弗洛里、德热纳等都做出过开创性贡献，其中不少人还因此荣获诺贝尔物理学奖或化学奖。自 1991 年德热纳正式命名“软物质”以来，软物质物理学发展更为迅猛，这不仅极大地拓展了物理学的研究对象，还对物理学基础研究，尤其是与非平衡现象（如生命现象）密切相关的物理学提出了重大挑战。
2004 年， 以 著 名 物 理 学 家 P.Anderson，P.Hohenberg，M.Cohen，Leo Kadanoff，T. Witten，P. Coleman，D. Weitz，P. Chaikin，Sidney Nagel 为首的80 余位美国物理学家曾以“关联物质新领域”为题召开研讨会，将凝聚态物理分为硬物质物理和软物质物理，并对软物质（包括生物体系）予以特别关注。会议总结报告《复杂物质向智力的挑战》认为，在硬物质中量子力学起主导作用，在软物质中则并非如此，因而面对新的问题和挑战，需要发展新的物理学。
2005 年，著名学术期刊《科学》在创刊 125 周年之际提出了 125 个世界性科学前沿问题，其中 13 个直接与软物质交叉学科相关。特别地，“自组织的发展程度”更是被列入前 25 个最重要的世界性课题中的第 18 位，“玻璃化转变和玻璃的本质”也被认为是最具有挑战性的基础物理问题及当今凝聚态物理的一个重大研究前沿。
2007 年，美国物理学会凝聚态物理委员会（Committee on CMMP 2010） 发布报告《凝聚态与材料物理：我们身边的科学》，列出未来十年物理学面临的 6 个重大课题，其中 4 个直接与软物质和生命系统相关。
2011 年，美国白宫报告文件专门提到了软物质材料科学研究的重大意义。同年，美国能源部在宣布启动的关键材料创新中心的文件中也特别强调加强建立软凝聚态材料的计算科学，以进一步加快该学科的研究步伐。
2013 年，以 John Hemminger 教授为首的基础能源科学咨询委员会在给美国能源部的一份报告中写道：“对物质宏观行为至关重要的功能的结构叠加，往往不是起源于原子或纳米量级，而是发生在介观尺度……我们已准备好揭开并控制介观尺度功能的复杂性。”在这个尺度上，经典的微观科学（连续）与现代的纳观科学（量子）产生了碰撞，这将对未来几十年的研究产生深远影响，而软物质的结构特征正好体现在该尺度上。
（二）来自社会、经济的外部需求
软物质的应用由来已久，早已广泛渗透到人们的生产生活中。近年来， 随着物理学、化学中的新概念、新方法和新手段被越来越广泛地应用到软物质研究中，极大地推进了软物质新体系、新材料的开发及在各种场合中的应用。
液晶显示作为全球市值逾千亿的平板显示主流技术，仍然在不断发展， 如能给出更快响应的蓝相液晶显示，能达到低能耗甚至零能耗的胆甾型液晶显示、柔性液晶显示等。表面活性剂是软物质中应用最广泛的体系，渗透到了从日用化学工业到石油、食品、农业、卫生、环境、新型材料等几乎所有的经济技术部门，目前全球市值高达数百亿美元。其中，表面活性剂在石油开采各个环节中均发挥着巨大的作用，相关的基础研究和应用研发不仅具有巨大的经济价值，还具有重要的战略意义，提高原油采收率的各类技术已经成为国际和国内的研究重点。
智能材料作为继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，拥有传感、反馈、信息识别与积累、响应、自诊断、自修复和自适应等功能。软物质“小作用，大响应”的特点使其容易实现这些功能，因此智能型软材料的开发和应用是材料领域的重要研究内容，例如可响应温度、
pH 值、电场或化学的高分子水凝胶可制作多种形状记忆复合材料，磁流变液已被用作汽车等设备的智能减震器，而电流变液被认为是最有希望在高铁、国防、军工等方面用来制作性能优良的减震器的材料。高性能新材料、新器件（如高强度的碳纤维、复合材料、石墨烯、软性可穿戴太阳能电池等）的发展，环保问题（如雾霾的控制、水资源的保护）、环保智能型建筑材料的开发，及生物医药相关领域的创新，也是当前软物质研究发展的驱动力来源。另外，在可预见的将来，可穿戴电子器件与电子服装将产生超过万亿美元的产值，这将对软性功能材料提出广泛、多层次的要求。
20 世纪末，高分子材料的总产量已达 20 亿吨左右。在当前的工业、农业、交通、运输、通信乃至人类的生活中，高分子材料与金属、陶瓷并列为三类最重要的材料。由于高分子材料的性能由其结构所决定，对结构进行不同的控制和改性，可获得不同特性。高分子材料独特的结构和易改性、易加工特点，使其具有其他材料不可比拟、不可取代的优异性能，从而广泛用于科学技术、国防建设和国民经济等各个领域，并已成为现代社会生活中衣食住行用各个方面不可缺少的材料。现代工程技术的发展，也向高分子材料提出了更高的要求，因而推动了高分子材料向高性能化、多功能化和生物化方向发展，这样就出现了许多产量低、价格高、性能优异的新型高分子材料。
颗粒物质作为新兴的软物质体系，与很多工程实际问题密切相关，例如河床和河道的土壤失稳和流失、山体滑坡的预测和防治、高层建筑抗砂土地基的液化、大型水利枢纽工程结构的稳定性的提高和工程评估等。研究颗粒体系的微观结构与力学性质，具有重要科学意义和工程应用价值。
从上述讨论可以看出，软物质研究已经成为当代物理学乃至整个物质科学的重要组成部分，其基础性、复杂性、新奇性将为物质科学的发展注入源源不断的活力。另外，软物质因其巨大的实用性，对材料、能源、环境、医药健康等人类面对的重大问题也有着深远的影响，对我国的国计民生具有重大的战略价值。
二、软物质物理学的发展规律和研究特点
“软物质”一词 1991 年由诺贝尔物理学奖得主德热纳在其获奖演说中正式提出，至今已 20 余年。但人类对软物质的应用其实已有上千年的历史，例如 3000 多年前中国人已经懂得如何配制墨汁，2500 年前印第安人已经学会使用天然橡胶。相比之下，人类对软物质进行系统的科学研究则只有 200 年左右的历史。
软物质的早期研究可追溯到 19 世纪的胶体体系。例如，1827 年植物学家布朗在花粉溶液中观察到了“布朗运动”，而这些花粉同时具有胶体颗粒的性质；1857 年物理学家法拉第研究了金溶胶系统的稳定性；1861 年英国科学家格雷厄姆引入“胶体”一词来概括包括上述两例在内的一大批分散体系，正式开启了胶体化学这门学科。进入 20 世纪，物理学迎来了黄金期。这个世纪的前三十年，不仅是相对论和量子力学成形和成熟的时期，也是软物质复杂体系研究的鼎盛时期，涌现出大批影响深远的研究成果，其中最重要的当属胶体颗粒布朗运动的物理研究。爱因斯坦（1905 年）、斯莫卢霍夫斯基（1906 年）、朗之万（1908 年）在分子运动论的基础上先后独立地提出了等价的微观方程来描述布朗运动。这些方程通过统计热力学将分子运动论
（当时仍被认为是假说）与胶体运动紧密联系起来，发展成为当今物理学中具有普适意义的基础理论之一。这些成就直接推动了实验上对布朗运动的精细研究，法国物理学家佩兰、瑞典物理化学家斯维德伯格由于对胶体颗粒布朗运动的直接观测而分别获 1926 年诺贝尔物理学奖、化学奖。不仅如此，朗之万发明的“朗之万方程”还远远超出物理学的范畴。日本数学家伊藤清在此基础上提出了随机微分方程的一般理论，成为当今数学的分支之一，可以说是软物质研究与其他学科交叉的历史性篇章。
关于胶体系统的一般物化性质的研究，也与很多著名科学家的名字紧密相连。例如，席格蒙迪由于胶体溶液异相性质的工作，获 1925 年诺贝尔化学奖。斯维德伯格的工作、朗缪尔关于表面吸附的工作（1932 年诺贝尔化学奖）都受益于席格蒙迪发明的超显微镜。
同一时期软物质领域的另一重大事件是“高分子”概念的确立。作为软物质的一个重要分支，高分子材料是以高分子化合物为基础的材料。高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料，包括橡胶、塑料、纤维、涂料、胶黏剂和高分子基复合材料。高分子是生命存在的形式，所有的生命体都可以看成是高分子的集合。这一全新的概念由德国科学家施陶丁格于1920 年正式提出，直到 1938 年第一个人造纤维尼龙被合成才得以证实，这是高分子研究的开端。此后，来自化学、物理、材料等领域的大批科学家投身到这种新物质的研究中，难以数计的高分子材料得以开发和应用。施陶丁格本人于 1953 年获得诺贝尔化学奖，其同胞齐格勒与纳塔由于在高分子催化合成方面的研究，而荣获 1963 年诺贝尔化学奖。
从 20 世纪 40 年代开始，高分子物理方面的研究也取得了辉煌成果，最具代表性的人物是美国化学家弗洛里和法国物理学家德热纳。弗洛里在高分子化学和物理两方面都做出了广泛而巨大的贡献，他在高分子聚合反应机制、高分子构象统计、橡胶弹性、高分子溶液 / 熔体热力学等课题上的实验和理论工作，极大地推动了橡胶、塑料等工业的发展，因此独获 1974 年诺贝尔化学奖，被视为高分子科学的开拓者和奠基人。德热纳则被誉为“当代牛顿”，他创造性地将物理学中的重正化群方法引入高分子研究中，发现了高分子材料的许多标度规律，并因为横跨超导、液晶、高分子等不同领域的惊人创造力和取得的深刻成果而独获 1991 年诺贝尔物理学奖。在诺贝尔颁奖演说中，德热纳首次提出“软物质”一词来概括胶体、高分子、液晶等各种体系，这个形象的称呼很快就被学界接受并成为标准词汇。著名物理学家栗弗席兹、爱德华兹、土井正男等也在高分子等软物质体系的热力学、动力学、流变学理论研究方面做出了巨大贡献。这些科学家的工作充分展现了软物质研究基础性和实用性并重的特点，将软物质整个领域的研究和应用推到了一个新的高度。
另一种重要的软物质是介于液体和晶体之间的奇特物质形态液晶，它于1888 年由奥地利植物学家莱尼茨发现，后来德国物理学家雷曼于 1904 年正式将其命名为液晶。虽然液晶在 19 世纪末就被发现，但由于一直未找到实际用途，因此对其系统研究也晚于胶体和高分子体系。直到 20 世纪 40 年代， 英国科学家格雷才开始系统研究液晶的合成及其物理性质。1965 年，美国化学家布朗在肯特州立大学成立了第一个液晶研究所，并召开了第一届国际液晶大会，极大地推动了液晶的基础研究和应用研究。对液晶光学电学性质的研究，促使美国 RCA 公司的黑尔麦乐于 1961 年提出了液晶作为显示器元件的设想并于 1968 年实现，此后德国物理学家海尔弗里希在 1970 年提出的TN 场效应模式，被瑞士科学家沙德特（1971，TN LCD）和谢福（1984，超级 TN 显示技术）发展成为现在液晶的主流显示技术。由于提出液晶显示的概念，黑尔麦乐和其他三位同行于 2012 年分享了被誉为工程界诺贝尔奖的德雷珀奖。
在液晶的基础研究方面，物理学家昂萨格（1968 年获诺贝尔化学奖）于1949 年发表论文，从物理学原理（统计力学）出发阐明了液晶的性质。弗兰克于 20 世纪 50 年代末提出了“曲率弹性”理论，成为液晶弹性力学的奠基理论。德热纳获得 1991 年诺贝尔物理奖的一个重要原因就是他将磁性和超导材料研究中的朗道-金兹堡理论成功移植到液晶研究中，成为液晶物理的基础理论。除工业用途外，液晶的另一个重要研究方向是生物液晶，如肌肉纤维组织、眼角膜中的胶原纤维组织等。而生物学上最重要的液晶体系则是生物膜。1973 年，德国物理学家海尔弗里希研究了生物膜的结构特征，提出了不同于传统力学板壳模型的液晶模型，开创了生物膜液晶的理论研究。我国理论工作者欧阳钟灿等在此基础上做出了一系列有广泛影响的工作，特别是第一次证明了液晶态是红细胞膜具有独特双凹形状的物理根源。值得一提的是，由于在液晶显示方面的先驱性工作，海尔弗里希还与黑尔麦乐等分享了2012 年德雷珀奖。如同弗洛里、德热纳等，海尔弗里希的研究工作也充分展现了软物质研究基础性与应用性并重的特点。
除上述“简单”体系之外，生命系统可谓是结构、性质最为复杂的软物质系统。对于宏观尺度的复杂软结构，如血液、组织、器官，一般采用连续介质力学模型进行简化描述，更偏向生物力学和生物材料学范畴。软物质生物物理则更关注生命系统的微观结构及其功能，其中最为复杂的当属生物大分子及其形成的微纳有序结构。生物大分子虽然本质上属于高分子范畴，但由于其组分的复杂性，并且主要关注点在于分子结构和功能，简单高分子的研究手段和理论并不充分适用，因此在软物质研究中形成独树一帜的重要领域。
对生物大分子 DNA 结构的最早阐述正是出自大物理学家薛定谔在 1943 年发表的著名演说《生命是什么》。在其影响之下，不少物理学家和化学家转入生物分子系统的研究，其中最著名的就是克里克等关于 DNA 分子结构的工作（1962 年获诺贝尔生理学或医学奖），由此诞生了分子生物学。此后，关于重要生物大分子结构的工作屡次获得诺贝尔化学奖，这里不再一一列举。特别值得一提的是，生物大分子体系构成的独特挑战，还催生了不少新的实验和计算技术，其中不乏获得诺贝尔奖的工作。例如 2013 年诺贝尔化学奖颁给了多尺度计算模拟技术，这类计算技术从 20 世纪 70 年代开始发展，其主要应用对象正是生物大分子；2014 年的诺贝尔化学奖颁给了问世仅 20 余年的超分辨率荧光显微技术，其最重要的应用例子也正是生物大分子和细胞系统。1990 年前后，出现了为生物大分子量身定制的全新技术，即单分子操控（光镊、磁镊等）和观测（单分子荧光）技术。这些新技术将生物学研究推进到了单分子水平，极大地拓宽了软物质研究的层次和范围。
近十余年来出现了另一种重要的软物质体系——超分子凝胶，它泛指通过分子间作用力（通常是非共价键作用）而形成的含有大量溶剂的分子聚集体。超分子化学被认为是超越分子的化学，涉及材料的设计、制备、分子识别和分子组装的应用，涉及材料、物理、化学、生物、医学等多个领域，受到科学家们的广泛关注。超分子凝胶材料在分子机器、分子传感器、气体吸附、纳米反应器、化学催化、药物传输、基因传输、生物成像、组织工程等领域被广泛研究，已经产生了重大影响。
总的来看，软物质研究的 100 多年累积了来自物理、化学、数学、生物学等学科的大量研究成果，人们逐渐认识了不同软物质体系的个性，也初步总结了软物质体系的某些共性，如热涨落显著、多重亚稳态、介观多尺度自组装结构、熵致有序、宏观柔性、“小作用，大响应”、强非线性等。这些特性通常难以从它们的微观结构（如原子或分子成分）上推测出来，而更多地取决于介观尺度的自组装结构。尽管对这些共性已经有所了解，但相比于以金属和半导体为代表的硬物质的研究，软物质物理尚未建立起统一的研究范式。
随着新材料不断被制备合成，且与生物、纳米、信息、电子、医学等不同学科的交叉日益深化，研究对象日趋复杂、新颖、智能，研究现象从平衡态拓展至远平衡态，这些都对实验和理论提出了更多更难的挑战。甚至以前并不被归于软物质的颗粒物质系统，近二十年来也得到物理学家的重视和研究，成为软物质研究中新的分支，而其基本原理尚未确立。可以说，软物质物理的研究方兴未艾，对更多体系开展有针对性的研究，并从中提炼更深刻的共性原理，仍将是未来软物质物理研究的主要内容。
三、学科的发展现状与发展态势
如前所述，由于软物质物理在基础研究中的重大意义及在经济社会需求中的战略价值，很多国家都不失时机地建立了相关研究基地，大力推进这方面的研究。
近十多年来发达国家许多大学的物理系和研究机构已纷纷建立软物质物理的研究方向，包括美国的哈佛大学、普林斯顿大学、宾夕法尼亚大学、芝加哥大学、耶鲁大学、康奈尔大学、杜克大学、加州大学洛杉矶分校、纽约大学、布朗大学、布鲁克海文国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、阿贡国家实验室，英国的剑桥大学、牛津大学、爱丁堡大学、布里斯托大学，德国的尤利希研究中心固体研究所、马克斯-普朗克胶体与界面研究所、马克斯-普朗克复杂系统物理研究所、马克斯-普朗克高分子研究所、哥廷根大学、海德堡大学、莱比锡大学、慕尼黑工业大学，法国的法兰西学院、巴黎高等师范学院、巴黎市立高等工业物理化学学院，瑞士的弗里堡大学、伯尔尼大学，荷兰的阿姆斯特丹大学、代尔夫特理工大学、原子与分子物理学研究所，澳大利亚的昆士兰大学，日本的京都大学等。特别值得一提的是，英国爱丁堡大学的 Michael Cates 教授由于在软物质方面的贡献，于 2015 年被剑桥大学授予卢卡斯数学教授席位。将这一具有悠久历史和崇高地位的荣誉职位授予软物质科学家，充分体现了国际科学界对这一领域的重视。
以软物质为基础的国际复杂自适应性物质组织（ICAM）现在已有 72 个成员单位。这些发达国家在软物质研究上的投入也在逐渐加大。美国纽约大学物理系在 2004 年投入约 2000 万美元，建立了由 David Pine 教授为主任， 包括 Paul M. Chaikin 等 4 位教授的软物质研究中心，形成物理与化学、生命和工程研究沟通的界面。英国爱丁堡大学物理学院对软物质与生物物理研究给予了很大投入，例如 M.Cates 教授的软物质物理课题，2003～2008 年、2007～2011 年分别得到约 200 万英镑和 400 万英镑的资助。日本文部科学省特定领域研究资助的京都大学太田隆夫教授的软物质物理项目 5 年经费（2006～2010 年）高达 14 亿日元。世界范围内的学术出版也反映了软物质研究的发展趋势。较早的软物质期刊大都出自化学及化工领域，数量多达百种，如 Langmuir、Polymer、Macromolecules、Journal of Colloid and Interface Science、Progress in PolymerScience、Liquid Crystals 等。而从 20 世纪 90 年代开始，国际物理学界很多著名的学术期刊开始将目光投向软物质研究，纷纷开辟软物质专栏或者出版软物质专刊，例如美国物理学会于 1993 年创刊 Phys. Rev. E，主要发表软物质方面的研究成果；欧洲物理学会于 2000 年创刊 Eur. Phy. J. E，专门发表软物质和生物物理方面的研究成果；Phys. Rev. Lett. 从 2004 年开始新开了“软物质、生物和交叉物理”专栏；英国皇家物理学会旗下的 J. Phys. Cond. Matt 开辟了“软物质和生物物理”专栏；欧洲物理学会的 Physics A 在 1998 年也开辟了“软凝聚态物质”专栏；2004 年，英国皇家化学学会出版了名为 SoftMatter 的期刊，英国 Taylor & Francis 集团公司也推出了 Soft Materials，而英国皇家物理学会则推出了 Physical Biology，专门讨论生物软物质；Science， Nature Materials，Nature Physics，Journal of the American Chemical Society， Chemical Society Reviews，Advanced Materials 等著名期刊发表的软物质和生物物理方面的文章也在逐年增多。
与此相应，近十年来也涌现出大批与软物质物理相关的专著和教材。仅以将“软物质”作为题目或关键词的物理类书籍为例，就有 30 余种，其中既有 Introduction to Soft Matter：Polymers，Colloids，Amphiphiles and Liquid Crystals（2000），Principles of Condensed Matter Physics（2000），Soft Condensed Matter（2002）等享誉国际的教材，也有针对不同方面的专著，如 实 验 技 术 Neutrons，X-Rays and Light：Scattering Methods Applied to Soft Condensed Matter（2002），计算模拟技术 Modeling of Soft Matter（2005），纳米材料 Nanostructured Soft Matter（2007），生物软物质 Soft Condensed Matter Physics in Molecular and Cell Biology（2010），软 物质力学 Advances in Soft Matter Mechanics（2011）等。施普林格公司也从 2012 年开始推出 Soft and Biological Matter 专业丛书（每年一本）。这些期刊和书籍的大量出版，一方面反映出软物质本身的多样性，另一方面也反映出软物质物理作为一个学科的整体面貌和迅猛的发展态势。
我国软物质物理的研究可追溯到 20 世纪 80 年代，中国科学院理论物理研究所、中国科学院生物物理研究所、中国科学院生物化学与细胞生物学研究所、中国科学院上海药物研究所、中国科学技术大学、北京师范大学等单位率先开展了生物软物质方面的研究。此后北京大学、南京大学、复旦大学等高校的物理系也陆续开展软物质和生物物理方面的研究。国家基金委和中国科学院曾部署并大力资助软物质和生物物理等方面的研究。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020 年）》中明确将“软凝聚态物质”列为科学前沿问题。国家基金委从 2010 年开始设立“可控自组装体系及其功能化”重大研究计划，科学技术部在纳米重大研究计划中也对软物质材料尤其是生物软物质提供了大力资助。
国内许多大学和研究机构在最近十多年来也纷纷引进国际著名的软物质科学家，同时成立专门的软物质研究实验室，包括中国科学院软物质化学重点实验室、中国科学院软物质物理重点实验室、北京大学软物质科学与工程中心、南京大学生物物理研究所、北京航空航天大学软物质物理与应用研究中心、中国科学技术大学软物质智能制造团队、厦门大学生物仿生与软物质研究院、北京化工大学国际软物质研究中心、浙江大学软物质科学研究中心、苏州大学功能纳米与软物质研究院、苏州大学软凝聚态物理及交叉研究中心、上海交通大学软凝聚态物理实验室、河海大学工程力学系软物质力学研究所、广东工业大学软物质研究中心、温州大学软物质科学与工程研究所、重庆大学物理学院软物质中心等。
从 20 世纪 90 年代初，国内就开始举办软物质物理的专门学术会议、讲习班和暑期学校，并多达数十次。例如，两年一届的全国液态和软物质物理学术会议已成功举办九届，每年一届的全国软物质与生命物质物理学术会议已举办十届，两年一届的全国统计物理与复杂系统学术会议（软物质、生物物理是其中主要内容）已举办四届。全国物理学年会也先后开辟了“液晶物理及应用”“软凝聚态物理”“软物质与复杂系统”等分会场，近年来统一为“液晶”及“软凝聚态物理与生物物理”。2000 年，中国科学院物理研究所牵头举办了软物质研讨会，邀请到包括 T.Witten、D.Quere 等 80 余位著名专家做系统演讲。2004 年举办为期 14 天的软物质物理暑期学校，学员多达 250人，主讲教师国外 4 人、国内 7 人。近年来我国学者编著出版多种相关书籍， 包括《液晶相生物膜弹性理论的几何方法》（英文版）（1999），《有机单分子膜的物理特性》（英文版）（2000），《软物质物理学导论》（2006），Protein Computer Simulation（2008），《软物质的计算机模拟与理论方法》（2010），《软物质物理导论》（2010），《软物质力学进展》（英文版）（2011），《高分子凝聚态物理学》（2012），《软物质自组装相关问题研究》（2013）。翻译出版国际上多种著名的软物质教材和著作，包括《生物物理学：能量，信息，生命》（2006），《细胞的物理生物学》（2012），《表面界面和膜的统计热力学》（2012），《软物质——构筑梦幻的材料》（科普读物，2013），《软界面——1994 年狄拉克纪念讲演录》（2014）。
总之，正是因为物理学自身发展的内部需求以及社会经济发展的外部需求，软物质物理研究正在迅速成为世界范围内物理研究的潮流。我国在这方面已经具备了一定基础，强化这方面的部署与研究，不仅可能使我国基础研究产生重大突破，也必将对国民生产生活产生重大影响。
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
软物质物理学涉及化学、生物学、材料和计算科学等多个学科，具有丰富的内涵与广泛的应用背景。其科学内容和目标主要体现在以下几个层面： 观测和发现软物质体系的复杂物理现象；针对不同软物质系统建立准确描述其运动规律的模型和理论；探讨软物质体系的一般运动规律。下面我们从软物质的基础理论、实验方法、介观体系、低维与界面体系、生物体系等多个方面出发，介绍当前软物质物理研究中的关键科学问题和重要研究方向。
（一）软物质的基础理论
在软物质体系研究的发展过程中诞生了许多重要的理论方法，如解释液晶相变的平均场理论、流体膜的弹性理论。对聚合物的理论研究，产生了无规链、高斯链模型、自洽场方法和密度泛函方法等。弹性理论、相变理论、标度理论、自洽场理论等仍将是软物质体系理论研究方法的主流。
关于颗粒物质、黏性系统、扩散系统、界面系统等的动力学问题，有望发展一些新的理论和计算模型。软物质和生物体系的力学问题，无法用现有的力学理论进行解释，需要结合物理、生物和化学等学科发展新的理论。针对复杂软物质体系，需要在计算模拟方面发展适用范围广且准确的力场并提高构象空间的搜索与采样效率，开发经典力学 / 量子力学结合的方法、高效的构象空间搜索算法，发展大规模并行计算技术等。发展多尺度模拟计算方法对研究高分子的结构、动力学、组装机制，多尺度有序结构的形成及转变、实现新材料的设计等都是十分重要的。
（二）软物质的实验方法
新实验方法和技术的发展与探索，主要是发展和建立新的实验方法和技术应用于软物质的研究。尤其是在动力学方面，人们对于软物质的认识还远未达到完整的程度，相关的实验手段和技术还有很大的发展空间，信噪比、时间和空间分辨率都亟须大幅度提高。
各种单分子操控技术，如磁镊、光镊、原子力显微镜等，已经在研究生物大分子的力学响应、结构变化、相互作用等方面做出了杰出的贡献。未来单分子操控技术还将以实现更高的精度，对分子构象变化及其动力学过程实现更加精细的测量为发展方向。另外，单分子操控技术也将进一步与单分子荧光技术相结合，在力学、生物学领域做出更多的贡献。
单分子荧光技术的应用也越来越广泛，其功能也越来越强大，但仍面临着一些挑战；需要提高时间分辨率，也要努力减少系统漂移等影响其稳定的因素。虽然现今的单分子荧光技术已经突破了常规光学显微镜的衍射极限， 但能实现的最高分辨率也多在 20nm 以上，因此其空间分辨率也有待提高。
继光散射、X 射线散射和中子散射技术之后，显微成像技术在物理学、化学、材料学等领域已经成为又一种非常重要的实验技术。2014 年诺贝尔化学奖的三位得主以创新手段突破了这一极限，使光学显微镜进入纳米显微时代，可以让科学家们在单分子水平上对活体细胞进行研究，这对于理解生命过程和疾病发生机制具有重要意义。要想对微观世界进行细致入微的探索， 还需要进一步提高现有的图像快速扫描技术，使得显微成像技术在软物质各种体系中发挥重要作用。
小角散射已经成为研究物质结构特别是介观结构的有力手段，在软物质结构表征中获得了巨大的成功，但是对于这一技术来说，目前在如下几个方面尚有很大提高空间：结构因子更精确的形式，新的形状因子的建立，以及不依赖理论模型的数据解析方法等。
（三）软物质介观体系
1.超分子凝胶
超分子凝胶是通过分子间作用力而形成的含有大量溶剂的分子聚集体， 一般是通过分子间非共价键合作用形成，如氢键相互作用、电子供体-受体相互作用、离子相互作用和憎水相互作用等。超分子凝胶按组成的基本分子，包括小分子超分子超凝胶与超分子超凝胶。
目前，超分子凝胶材料已经对许多领域产生了重大影响，然而我们对超分子凝胶材料介观结构的认识还处于初步的探索性阶段，现有的超分子凝胶制备方法并不能很好地满足新型多功能智能材料的要求。作为在生物医药材料的应用，发展具有良好生物相容性、无毒性和可降解的超分子凝胶材料是近年关注的焦点。同时，对超分子凝胶材料与生物体系的相互作用进行深入研究，研制具有更好适用性的多功能超分子凝胶是另一重要发展方向。因此从科学研究的角度而言，充分研究超分子凝胶材料的制备—介观结构—性质—功能的关系，有助于人们优化和设计超分子凝胶材料，探索其在各个领域的应用，并推动超分子凝胶材料的快速发展。
2.聚合物
聚合物是典型的软物质或复杂流体，具有许多不同于传统硬物质的物理特性，如平衡态主要由熵效应决定、多自由度、复杂的拓扑结构、可标度性、非晶态固体结构，以及高分子所特有的黏弹性等。它是具有多层次多尺度特性的典型代表，也是最具有实用价值的材料。从物理学上讲，高分子具有力、热、电、光、铁电、热电等各种物理特性，它会通过自组装，形成人工可控的多尺度有序结构。理解高分子的复杂相行为，对理解软物质其他体系（如胶体、液晶）和生命聚合物（如细胞骨架、DNA 和蛋白质等）有极为重要的推动作用。很多物理理论（如 Cahn-Hilliard 相分离理论）也是最先在高分子体系中得到验证，这是缘于高分子体系具有典型的平均场特性，以及弛豫时间长、特征温度范围宽等特性，这些特性可以保证实验上的精确测量。
高分子物理理论中的难点，正是凝聚态物理理论中所没有解决的难题， 即非微扰、非平衡、非线性。凝聚态物理学的进展，可有助于高分子科学中一些基本科学问题的解决；反之亦然。这些基本问题包括：超越高斯链模型；超越平均场理论；非平衡系统的动力学；涨落、相变、临界现象等。前沿研究课题包括：分相与结晶；玻璃化转变；不同尺度上的非平衡相转变； 高分子体系的流变学问题；亚浓溶液和凝胶中的复杂相行为；带电聚合物体系中的非高斯链行为及关联效应；功能（光、电、磁）材料中的物理特性与结构间的关联；受限聚合物 / 纳米粒子复合体系的组装机制，聚合物多尺度连贯研究等。
智能软聚合物材料以其独有的特性，在智能仿生、航空航天、生物医学等领域都有广泛的应用潜力，已成为近年来智能材料与结构领域的研究热点之一。针对智能软聚合物材料的自感知、自适应、自修复等问题，需要对智能软聚合物材料进行复合改性设计和多功能设计，研究电、热、光、磁、溶剂等智能聚合物复合材料的记忆效应驱动新机制和形状恢复行为规律；同时针对智能聚合物复合材料的新型驱动方式，需要对智能聚合物及其复合材料在温度场、应力场、磁场、电场、化学场、多场耦合等物理场下的响应行为和感应规律进行研究，获得“结构、功能一体化”的智能聚合物形状记忆复合材料及结构，并推动其在实际工程领域的应用。
3.液晶
关于液晶的基础理论研究，相比唯象模型，分子级别的模型有更高的精度，其参数有明确的物理意义，能和实验进行对比，且通过分子模型能得到更多液晶体系的信息，从而方便人们进行理论分析，其中基于蠕虫链的自洽场理论模型能模拟不同刚性的分子体系，是一套非常有用的理论工具。虽然分子级别的模型计算量大，但随着计算机技术的发展，利用自洽场模型求解实际三维问题也成为可能。未来几年，如下几个问题将成为受限液晶体系中关心的问题：限制在球面上的半刚性液晶体系的指向和缺陷行为；限制在两个嵌套的非同心球面之间的液晶体系；其他曲面上液晶分子结构的自洽场模拟；二维平面受限体系；三维受限体系中液晶分子的指向分布等。
液晶物理特性和显示器件机制的研究对国家的平板显示器工业持续性发展有不可估量的影响。人们曾经认为液晶显示器已经产业化，液晶基础研究已走到尽头，实际上，液晶显示仍然有丰富的研究内容。例如，三维显示、蓝相显示以及柔性液晶显示都是近些年涌现出来的新型显示，其研究蕴含许多未解决的基础物理问题。与实际结合的几个问题主要表现在响应时间、大尺寸、背光源和柔性化等方面。主要前沿研究课题包括：新型液晶显示器件模式研究；液晶性半导体（LC-TFT）研究；染料掺杂液晶 / 聚合物光栅激光器的研究；高响应速度液晶材料性质的理论研究；生物液晶物理研究。关于液晶的前沿发展方向还包括蓝相液晶显示、铁电液晶显示以及量子点技术等。
液晶弹性体作为智能材料已成为多学科交叉的研究方向，液晶弹性体在生活中拥有诸多潜在应用方向。例如，利用液晶弹性体可以制备动态键盘， 制备动态盲文显示器，让盲人也能拥有随身阅读设备；开发防伪技术也是重要的研究方向。作为高分子材料的一种，液晶弹性体亦可在柔性器件领域大展拳脚，利用其形变特性赋予新的内涵，如制备轻薄的可变焦镜头、随身运动发电设备等。液晶弹性体在微观领域中的潜在应用包括刺激响应性表面、微型透镜、微流体设备、微型动力系统，以及芯片实验室等。小尺度执行器的制备，将是液晶弹性体未来发展的主流方向，这不仅需要新概念和新理论的指导，更需要新材料和新工艺的应用。
4.颗粒物质
颗粒物质是指由大量尺寸大于微米的宏观固体颗粒组成的体系，这类体系与我们的日常生活环境、生态、生产和运输等密切相关，对其静力学和动力学的研究具有深远的意义，是软物质物理前沿领域之一。近十年来对颗粒物质的研究已取得了重要的进展，主要包括：颗粒的输运性质研究、颗粒体系崩塌的机制与力链结构研究；振动驱动的颗粒分聚现象与斑图的形成；颗粒流相转变机制与结构研究等。中国科学院物理研究所等十多个科研院所和高等院校在这方面已取得了一些重要成果，包括颗粒气体的颗粒流动力学研究、颗粒体系的摩擦力、堆积颗粒的粮仓效应、振动颗粒的分层效应以及波与力在颗粒体系中的传播等研究。
颗粒之间的相互作用以摩擦与非弹性碰撞为主，这类非线性耗散特性的相互作用使得颗粒体系总是处于非平衡态，充满着不稳定性，呈现出丰富的物理现象，人们对其特性和机制的了解还十分有限。其物理行为既不能用一般的固体来理解，又不能用一般的流体理论来解释。因颗粒物质在所有耗散系统中是最容易观察和统计的，所以对颗粒物质的研究有可能在统计物理理论上得到突破。
未来需要着力开展的前沿课题包括：①颗粒气体：能否在颗粒气体这样的非平衡态体系中找到类似于平衡态统计力学中的速度分布律？②颗粒流体：主要关注动力学研究，例如，对颗粒流中的激波结构的研究将有助于我们对颗粒流的耗散特性以及颗粒流中相转变的理解。③颗粒固体：主要关注力在颗粒介质中的沿非线性力链结构传播的研究，大尺度颗粒介质的本构关系的建立等方面。④各向异性颗粒及带电颗粒的相互作用。颗粒物质的研究还将有助于探索地震、山体滑坡、泥石流、雪崩以及冰凌等自然灾害的发生规律与机制，可有效预测和防止灾害的发生，以确保人民生命财产的安全。
（四）软物质低维与界面体系
1.膜
自然界中存在许多实体，其中一个尺度远小于另外两个尺度，我们将这种实体称为膜。肥皂泡是日常生活中最常见的一种膜，而细胞膜是细胞内部与外部环境交换物质、能量和信息的通道，它也是细胞成为独立生命个体的根本保证。生物膜弹性理论发源于对红细胞双凹碟形状的研究。1973 年，海尔弗里希提出的自发曲率模型奠定了生物膜弹性理论的基础。近半个世纪以来，生物膜弹性理论得到了迅猛发展，我国学者在整个发展过程中做出了许多重要工作。例如，膜泡的普遍形状方程，轴对称膜泡形状方程，轴对称膜泡形状方程的首次积分，膜方程的解析特解。近年来，生物膜弹性理论研究方面也取得了一些新的进展，包括膜的应力张量以及开口泡的形状问题。
目前理解膜与蛋白相互作用的大部分工作来自分子动力学模拟，既包含蛋白质也包含脂质分子的分子动力学模拟几乎超过了目前所有计算机的能力，计算的时间尺度和空间尺度远远达不到实际要求。从生物膜弹性理论的角度研究膜与蛋白质的相互作用，对蛋白质和膜做了极大的粗粒化，但是仍然能够定性甚至半定量地帮助我们理解蛋白质对膜的形态的调节以及膜对蛋白质间相互作用的影响。膜的应力张量和力矩张量的概念提供了有用的工具，用其理解曲率诱导膜表面附近的块状蛋白之间的作用力较为成功。如何理解膜与螺旋形 Dynamin 蛋白之间的相互作用仍旧需要进一步探讨。生物膜理论研究的重要发展方向包括：膜方程的解析解；分相膜的理论与应用；膜与蛋白质相互作用。
2.表面
超浸润表面由于其广泛的应用前景，吸引着越来越多的科学家对其进行更加深入和广泛的研究。在基础研究方面，目前超浸润表面仅仅局限于水- 固体系，对水-油-固体系只进行了初步的探索性研究，但如果把水换成具有无数种类型的有机溶液或者气体，把固体换成凝胶类材料，超浸润表面将会是一个不可预测的庞大的对众多学科产生重大影响的科学前沿。在应用研究方面，到目前为止，超浸润表面已经对传统催化领域、电化学领域产生了重大影响，可以说超浸润表面的研究才刚刚开始，在不久的未来超浸润表面必将对人类社会的发展做出巨大的贡献。
超浸润表面的研究取得了长足的发展，但是还有若干学科前沿问题亟待解决：提取具有特殊性能的生物界面的仿生学原理，揭示其微观结构、组成和功能之间的内在本质联系；基于仿生原理的仿生功能分子设计、材料表面微纳结构的精细调控与表征；通过调控优化仿生智能多尺度界面材料的结构和组成参数，实现对自然界特殊功能的模拟，并最终在某些方面超越自然； 在以上研究的基础上，发展规模化制备技术，实现仿生智能多尺度界面材料在资源、能源、环境、生物医学等领域的应用。
3.胶体
胶体广泛存在于日常生活中的各个场合，如化妆品、食品、各种悬浮液等，在医药、化工等各个领域有重要应用。因胶体颗粒具有和原子体系类似的集体行为，如相变，研究胶体对于理解一系列凝聚态现象和基本物理概念有重要科学意义。近年来，得益于显微摄像技术和计算机大数据处理能力的进步，实时跟踪记录大量胶体粒子的运动轨迹在实验上成为可能。利用粒子运动轨迹复原的空间位形和速度分布及其随时间的动态演化，可用于计算一系列微观物理量。通过对这些微观物理量的深入研究，人们发现了许多胶体的细致微观性质，同时也发现了一些非常有趣的现象，如胶体的排空相互作用、带电胶体的反常相互作用、非球形胶体的特殊布朗运动行为、胶体晶体的非经典成核过程等。由于胶体颗粒间相互作用的力程和强度可通过各种方式调节，从而可在实验上演示验证一些重要的凝聚态物理的理论模型和概念。
利用胶体研究基础物理问题未来几年可预见的发展有以下几个趋势：一是发展制备各种具有复杂外形和复杂相互作用的胶体体系，研究更复杂的相变行为，获取更为丰富的晶体结构，其中最具有吸引力的是获得一些准晶结构；二是完善发展各种控制手段，特别是设计各种复杂的外场与胶体外形、物理特性控制相结合，获取更复杂的晶体结构；三是发展自驱动胶体体系， 研究非平衡自组织行为；四是开展胶体颗粒与各种有机分子混合体系的相变和自组装行为的研究。
表面活化剂和其他软物质构成的复合系统是一类不同于传统胶体悬浮液的胶体系统。在表面活化剂、油、水构成的三元系统中，通过自组装，形成一系列有趣的热力学平衡结构，是最近几十年来长盛不衰的一个研究课题， 未来仍需要加强这方面的研究。
4.微观尺度下的水
近年来人们逐渐认识到，许多有关水的技术，如海水淡化、水污染治理、表面腐蚀以及生物分子的功能与结构等方面，目前仍难以取得突破，这是由于人们对微观尺度下水的特殊性质的理解还远远不够。目前的研究已经发现，水在微观尺度体现出与宏观不同的性质，呈现出许多独特的性质。例如，水在一维管道空间里会形成一维稳定结构，其流动行为表现出与宏观非常不一样的形态；很多宏观表现为疏水的表面，在微观分子尺度表现出不同的浸润现象，体现出宏观亲疏水性与微观亲疏水的区别；生物大分子的表面水分子会主动参与到生物过程中，并体现出与宏观不同的特性。
虽然人们对微观水的理解已经取得了较多的进展，但仍有许多问题未解决。涉及水的主要前沿研究课题包括：纳米尺度管道中准一维水的高流通特性背后的物理本质，离子参与下纳米碳管等碳材料中水的流通特性，水由高流通性向普通流通性转变时水的结构变化；微观界面水的性质及其对浸润和流动输运性能的基本物理机制，由于“分子尺度亲水性”的发现，微观浸润和宏观浸润行为之间的关联仍未解决，分子亲水性对界面阻尼、表面黏附等的影响仍不清楚；自“生物水”的概念被提出后，人们对纳米颗粒、离子和气体分子等与生物分子的相互作用过程中，水的角色及其作用仍需要进行更多的研究，水对生物大分子的结构稳定性影响目前也未清楚；水环境对材料结构与性质的影响也未完全解决。
（五）软物质生物体系
1.生物软物质物理
生物软物质物理是物理学与生物学最重要的交叉前沿，研究范围涵盖分子生物物理学、细胞生物学以及相关技术和方法，强调基于相互作用和系统特性的定量刻画和描述方式，主要利用和借鉴凝聚态物理、统计物理、计算物理、现代数学、信息学和计算机科学方面的概念、理论、方法和各种实验技术手段。前沿课题包括以下几个。
（1）生物分子（蛋白质、DNA 和 RNA 分子）的相互作用以及结构和功能动力学，如蛋白质结构预测方法、蛋白质折叠病、DNA 的超结构以及
DNA 力学特性、RNA 的结构、折叠与功能运动等。
（2）非编码序列、非编码基因和非编码 RNA，如鉴别非编码 RNA、非编码RNA 与蛋白质的相互作用、非编码RNA 参与的信号通路及相关网络等。
（3）生物膜相关的结构和动力学，如膜蛋白构象运动引起的生物膜形变的空间和能量变化尺度、膜形变导致的膜蛋白之间的相互作用、协作性、拥挤效应等。
（4）细胞骨架自组装、聚集态结构和动态行为等，细胞骨架动力学对细胞的许多重要功能，如黏附、迁移、分化等，其调控机制和相关疾病的病理生物学关系。
（5）单分子生物学，主要是将物理学中的新型显微、成像、探测和操纵技术用于生物体系（包括大分子体系）的研究是当前生物学的研究热点。
（6）生物网络和系统生物学，主要包括生物网络（如代谢调控网络、基因调控网络）的拓扑结构研究、动力学研究。
（7）生物神经系统，如神经网络的时空动力学行为，感觉（视觉、听觉、嗅觉、本体感觉等）信号是如何处理的，运动指令是如何发起和执行的。
（8）细菌生物物理学，包括分子尺度上的细菌鞭毛马达动力学，细菌在界面附近的游动、积聚和黏附等复杂行为，细菌群体的集群涌动扩散行为和自组织斑图的形成，细菌的趋化性和细菌体内传感网络。
（9）生物学启发的物理和工程问题。一方面可以对生物体系进行理解和刻画，另一方面可超越生物体系本身形成具有一般意义或对其他学科有启示的科学问题。典型的例子是由人工设计的氨基酸序列排列构成的人工生物分子。
2.纳米颗粒和蛋白及细胞膜的相互作用
随着纳米材料制备技术的迅速发展，纳米材料在生物医药卫生领域的广泛应用和产业化研究已经成为纳米科学领域的热点，并出现了许多新的前沿科学问题。一方面，一些功能化的纳米材料所拥有的高效治疗和高效诊断的生物医学功能是由纳米材料与细胞和生物分子的相互作用所产生的，但纳米材料与细胞和生物分子的相互作用过程却是一个相对滞后的研究领域，这无疑将会限制纳米医学的发展；另一方面，如何避免或降低由纳米材料的某些特殊性质导致的纳米毒理学效应，更有效更安全地实现纳米材料在生物医学领域中的应用；这些问题已引起人们的日益关注和重视。
目前，国内外已在积极地开展纳米材料的生物学效应研究，尤其是对于具有生物医学应用前景的纳米材料，从生物整体水平、细胞水平、分子水平等各方面开展研究，研究内容涉及纳米材料的整体生物效应，纳米材料的毒理研究，纳米材料在体内的吸收、分布、代谢和清除，以及各种纳米材料与生物靶器官、靶细胞和靶分子等的相互作用。
从研究进展和发展趋势来看，有以下特点：研究重点已经由生物整体效应逐步深入纳米材料与细胞和功能性生物大分子的相互作用，研究发现，纳米材料的毒性效应与其自身的物理化学性质紧密相关，理论计算与实验研究相结合，有利于解决在研究复杂生物体系过程中面临的科学问题。而亟待解决的相关学科前沿问题包括：纳米粒子进入细胞的驱动力是什么？小于100nm 或更小的纳米粒子是否存在新的跨膜过程和机制？纳米粒子与蛋白、DNA、RNA 等生物大分子的相互作用的分子机制是什么，有什么特异性？ 这些特异性能否解释不同纳米材料的特异生物兼容性与安全性等。
3.生物信息大数据
面向生物大数据理解分析的智能生物信息学理论与方法研究是当前的国际学术前沿，这是因为近年来高通量数据采集技术的飞速发展产生了海量的生物数据，但由于各种实验手段的昂贵和耗时等限制，生物数据产生的能力与数据理解的速度之间的鸿沟正在迅速拉大。生物分子的多源、异质、分层等复杂特征也使得简单移植已有的人工智能和知识发现算法很难取得好的效果，促使研发生物数据特征驱动的先进算法和方法成了一个重要课题，这在促进社会进步和生命健康研究，且对信息理论的完善及与实际应用更紧密的结合都具有重要的意义。
生物信息数据挖掘的重点发展方面包括：①面向海量生物数据的动态学习新框架，包括基于查询驱动的动态学习框架，层次性动态学习框架和动态学习框架的有效性评价。②多源异质生物数据迁移学习算法，特别是针对多类型多介质生物数据、不同层次生物数据和不同物种生物数据，发展不同的迁移学习机制和相应的智能模型构建方法。③面向生物数据层次隐含信息挖掘的深度学习理论与方法，包括优化深度神经网络的初始化，提升深度神经网络在生物计算上的泛化能力，提升面向生物数据的深度神经网络模型的可解释性。④多源异质生物数据挖掘平台的建设，相关主要问题有挖掘平台整体架构的设计，多源异质生物数据的整理及预处理，面向多源异质生物数据挖掘算法的实现和集成等。
4.生物软物质医学
随着人类技术和文明的发展，人的平均预期寿命有极大的提高，但同时各种污染源也增多，导致癌症成为对于人类健康和生命最具威胁的疾病。癌症的复杂性和长期性，使其在预防、诊断、治疗等各方面都成为现代医学的极大挑战。最近十几年来兴起的癌症生物物理研究，试图从另一个视角来开创癌症研究的新局面，它着重于侵袭转移过程中癌细胞与微环境的关系、细胞群体侵袭的途径和模式以及细胞间的协作与共进化等方面。一方面，癌症生物物理研究通过改进和整合物理、材料和工程领域的研究方法和技术，揭示了许多过去长期被忽略或因缺乏研究手段而难以探究的重要现象和机制； 另一方面，通过构建新的研究平台，例如具有多因素调控和长时间细胞群体三维追踪的体外微环境，也给生物医学和临床研究带来了更具效率和逼近体内环境的新平台工具。软物质物理学在肿瘤的侵袭和转移研究中，可能在以下方向做出突破性贡献：细胞内分子信号通路耦合的各种生物力学信号的定量研究，精确可控的三维组织微环境平台构建。而围绕癌细胞的理论和模拟方面，未来可能的研究方向包括：关于细胞信号转导机制的研究，关于基因表达调控机制的研究，关于生物网络结构、动力学和功能的研究。
（六）其他交叉领域
1.软物质微流变和微流控器件
微流控是一种精确控制和操控微尺度流体的技术，一般来说控制的流体应该在一个维度上至少小于 1mm。微米尺度下的软物质和生物材料具有许多新性质，微流变技术为研究生物材料的力学响应和细胞生物学打开了一个新窗口，为活细胞的运动、分裂、分化、死亡以及迁移运动等提供了一个在微米尺度上的强有力的实验手段。
微流控在生物、化学、医学等领域具有巨大潜力，已经发展成为一个涉及材料、生物、化学、医学、流体、电子、机械等学科交叉的前沿研究领域。微流控的主要研究包括：微通道的设计制造与制备材料选择，微流控系统的集成封装与移动，在微尺度下对流体的输运控制等。目前对于微流控微通道的功能化、智能化方法，主要包括了微通道材料的设计与选择和材料表面的物理化学修饰。比如，设计和开发有智能响应性分子修饰的微通道，不仅可以实现通道内表面智能响应外场的可控性，还可能通过对不同外场响应性分子的选择和设计，实现 pH、温度、特定离子等多外场协同作用的智能响应，这将为设计和开发智能响应性微流控检测器件提供一种新的思路。
微流控即将迎来新一轮的高速发展时期。许多新的应用目前仍处于实验室研究阶段，比如智能仿生材料的设计和开发，分子生物学、多孔介质的模拟，连续流动化学有机合成和微纳米颗粒的制备等。在未来，微流控研究将更加关注于它作为核心技术对商品化应用的实现，在海水淡化、油水分离、药物及生物分子筛分检测和复杂流体中的高效除气技术等领域将带来巨大的经济效益。
2.软智能材料
智能材料是 20 世纪 80 年代中后期由美国和日本科学家先后提出的，是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一。智能材料是功能材料高级的形式，它不仅能够感知环境变化，还能根据这些属性做出相应的响应，以达到某种智能控制的目的。智能材料拥有传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力七大功能。由此可见，智能材料是材料领域目前最前沿的研究领域。智能材料的物理机制研究和大规模应用将导致材料物理科学发生重大革命。而软物质的基础研究，特别是场诱导软物质的物理研究将极大地促进功能材料与智能材料的发展和应用。例如， 巨电流变液被认为是现在最有希望在高铁、国防、军工等方面获得广泛应用的软物质智能材料，它可以用来制作性能优良的新一代智能减震器，而在这三个领域中，智能减震是科研上的一个难点，而巨电流变液正好符合装置简单、响应速度快、减震效果好等要求。除了电、磁作用智能软物质材料外， 具有热、光及其他作用的智能软物质材料也是目前材料研究的前沿领域。
软物质智能材料在发展过程中遇到许多实际的问题需要解决，总结起来包括合成简单、成本低、稳定性好、响应快速、性能增强、可重复使用、无环境污染等方面。软物质智能材料的基础理论问题包括：电、磁流变体固- 液相的匹配及分散相的选择多样性，其应用与环境保护问题；纳米颗粒材料的表面修饰与表面活性剂对电、磁流变液性能的提高的基础物理机制；固相纳米材料颗粒沉淀及极限应用下物理特性评价；软物质智能材料在不同的应用条件过程中的服役、失效问题。
综上，随着人们对胶体、高分子、液晶、凝胶、颗粒物质、生物体系等各种软物质体系的深入研究，对软物质系统的共性获得了越来越多的认识， 建立了一些普适性较强的物理概念和图像。然而，软物质物理学远未定型， 尚处于蓬勃发展的黄金阶段。随着研究的深入，新的挑战也层出不穷。就基础研究而言，如远平衡、自组织、玻璃化等普遍存在于软物质系统的现象， 目前仍是物理学中最具有挑战性的问题之一，也是当今凝聚态物理的一个重大研究前沿。解决这类共性问题、提炼更多共性原理，仍是未来软物质物理学的主要内容。
除了这些原理层面的研究外，软物质物理学还注重发展新的技术，包括计算模拟技术（如多尺度联合的粗粒化模拟技术）以及实验技术（如超分辨显微成像技术与单分子技术、微流控技术等），这些对于化学、生物学、材料科学等其他学科都产生了重要的影响，未来仍将是物理学交叉领域的重要研究方向。
就应用研究而言，软物质物理与人类生活息息相关。未来，新型显示、介观多尺度功能材料、新型智能软材料、新型表面活性剂等软物质体系的开发，以及纳米生物学、癌症物理学、颗粒物质物理学等新方向的飞速发展， 仍将对信息、材料、医疗、石化、能源、土木工程等诸多方面产生深远的影响。
五、有利于学科发展的有效资助机制与政策建议
如上所述，软物质物理学是高度交叉的学科，与化学、力学、生物学、材料科学等学科联系密切，研究课题较多样、分散，短期内难以形成一条明确的主线。尤其是在我国，目前从事这方面研究的物理学家绝对数量并不多，但由于学科属性很不明确，难以从固定渠道获得持续支持。这既不利于凝练现有学术队伍、促进学术交流和合作，也不利于青年后备人才的持续培养。为推动我国软物质物理学稳定的发展，我们提出如下建议。
（一）从政策层面设立专门的资助
目前，在国家基金委等国家级科研支持计划中，还没有单列的软物质物理申请代码。与此形成鲜明对照的是，传统领域（如粒子物理、凝聚态物理等）都有明确的申请代码，而软物质相关的基金申请只能分散地挤到凝聚态物理、统计物理等方向中。政策上的先天倾斜妨碍了软物质研究者获得稳定的经费支持，严重制约了学科发展。我们建议设立软物质物理学的专门学科代码，以更好地凝练和扩大学科队伍、加速学科建设；同时将软物质科学纳入国家各级科技计划，如国家科技重大专项、国家重点研发计划、技术创新引导专项、基地和人才专项等。
( 二 ) 建立和支持有影响力的研究基地
建立并保持一支稳定的人才队伍，对软物质物理学这种新兴的交叉学科来说尤其重要。目前，在全国范围内的高校和研究机构中，真正开展软物质物理学研究的还比较少，在人才引进等方面也受到各种制约。建议国家层面或机构层面出台支持政策，在全国范围内建立并重点支持若干有特色的研究基地，吸引、培养和稳定一批高水平人才，逐渐扩大研究队伍，建成在国内外具有影响力的研究平台。
( 三 ) 加强产学研合作
软物质物理与我们的生产生活密切相关。缩小基础科研与实际应用之间的距离是我国科研界的大势所趋，是当前创新型社会的必然要求。建议以上述研究基地为依托，将促进学界和产业界的沟通及合作作为基地的重要使命，实现学界和产业界在人员、项目、数据、知识产权等多个层面的融合和共享。
（四）加强基础教育和普及教育
软物质不仅是新兴交叉学科，更是物理学重要的组成部分，但相关核心知识（如熵致有序）在国内物理学基础教育中未能得到体现。尤为严峻的是，作为软物质物理核心课程的统计物理学在各个高校被明显弱化，师资、教学量和教学水准难有保证。与之相反，相对论、量子物理等知识却越来越广泛地渗透到物理学各课程中，甚至市面上也多充斥着这类科普书籍。这些都对学生造成了一定程度的误导，导致学生严重缺乏对软物质物理学的认知，这对整个物理学的发展也是极为不健康的。我们建议组织人员，通过编写教材和出版科普读物，在高校本科教育中加强软物质基本概念的教学和普及，为培养具有全面素质的物理学后备人才构筑良好的学术氛围。
黎明（中国科学院大学），帅建伟、刘向阳（厦门大学），欧阳钟灿（中国科学院理论物理研究所）