活动标题：奇妙的软物质

活动时间：2026/09/12 14:30-2026/09/12 16:30

主讲嘉宾：韦齐和，南方科技大学机械与能源工程系教授

活动地点：深圳大学城图书馆四楼413报告厅

        软物质离日常生活并不遥远，生命体系、食品日化、智能材料、平板显示里都有它的身影，是连接基础物理与现代工程的一类重要材料。2026年9月12日下午，南方科技大学机械与能源工程系教授韦齐和应邀做客深圳大学城图书馆大学城新论·名家讲座。讲座以昆虫甲壳等微观世界的奇妙现象为引子，介绍了软物质的基本概念和四类基础材料，回顾了液晶百余年的发展历程，并结合团队正在开展的研究，展示了软物质物理当前的活跃图景。

        韦齐和现任南方科技大学机械与能源工程系教授、博士生导师，德国洪堡学者、美国国家科学基金会CAREER奖获得者、国际光学工程学会（SPIE）会士。长期从事软物质物理、液晶、活物质、纳米制造、微纳光学、仿生等交叉学科研究，在多个领域做出原创性贡献，包括首次证实单通道扩散不满足Fick定律；发现低对称粒子布朗运动的新规律；发明分子取向光刻技术，实现了平面光学元器件的高精密制造；在极性液体中发现一系列新型拓扑结构。

一、什么是软物质

        讲座从千字文里描写自然变化的句子谈起，引出人们熟知的物有三态，又以航天器返回大气层时通信短暂中断为例，带出了物质的第四态，也就是等离子体。随后，韦教授将目光投向生命体系，靠螺旋摆动前进的细菌、几秒钟内改变体色隐身的章鱼，都是典型的软物质。这类材料质地柔软，能在短时间内发生大幅变形，还能自主驱动，把体内储存的能量转化为运动，并且功能高度集成。一只几微米长的细菌就同时集能源、传感器和驱动器于一身，这种一体化水平连当今的制造业也难以企及。生活中软物质同样无处不在，冰淇淋、化妆品、橡胶都属此类。就学科名称而言，美国学者早期把这类材料称为复杂流体。1991年诺贝尔物理学奖获得者德热纳认为这个名字不雅，也容易让年轻学生望而却步，他改用软物质这个称呼，并将液晶、胶体、高分子和表面活性剂归结为四类基础材料。

        围绕这四类基础材料，韦教授逐一做了简明的介绍。液晶被称为流动的晶体，棒状分子在特定温度区间沿同一方向整齐排列，手机和电脑屏幕的显示材料正处在向列相。甲虫外壳的花纹、虾蟹烹煮后呈现的红色，也都源于壳内螺旋结构对光的选择性反射。胶体是微小颗粒分散在连续介质中的体系，雾和啤酒泡沫都属此类，涂料刷上墙不流挂，滚刷一推又铺得开，靠的正是剪切变稀的特性。表面活性剂一头亲水一头亲油，充当油和水之间的媒介，人体的细胞膜正是由磷脂双分子层构成。高分子由长链分子组成，链间交联便成为橡胶，不交联则是塑料，蛋白质、淀粉等生物大分子也在其列。

二、液晶百年与外场调控

        液晶的故事要追溯到1888年，奥地利植物学家莱尼茨尔在提纯胆固醇苯甲酸酯时注意到，这种材料有两个熔点，先后出现两种不同的液体状态。随后德国物理学家勒曼在偏光显微镜下观察到绚丽的条纹织构，流动的晶体由此得名。此后几十年，液晶因为找不到实际用途一度受到冷落。转机出现在1970年前后，美国的弗格森与欧洲的沙德、赫尔弗里希分别发明了扭曲向列相显示器件，利用电场控制液晶分子的偏转，让每个像素在明暗之间切换，早期电子手表和计算器的显示屏由此而来。上世纪八九十年代，显像管体积庞大，笔记本电脑只能选用轻薄的液晶屏。市场需求的带动加上企业的持续改进，让液晶显示从笔记本电脑一路走向大尺寸电视，如今产能已基本集中在中国。理论层面的故事同样曲折，玻恩曾用分子间的电偶极作用解释液晶的形成，实验中却观察不到宏观的电极性，这个解释被搁置了近一个世纪；昂萨格用熵效应给出了另一种解答，证明棒状分子只要长度与直径之比超过五就能自发取向排列。1991年，德热纳因液晶和高分子领域的理论贡献获得诺贝尔物理学奖。

        液晶显示的兴起，关键在于液晶分子容易被外场调控。工业上让液晶分子整齐排列，长期依靠摩擦取向这种成本低廉的方法，但难以实现复杂的图案。韦教授团队另辟蹊径，发明了分子取向光刻技术，让掩模板在产生光强图案的同时产生偏振图案，从而在空间上任意设计分子的排列方向。这一思路与半导体光刻在原理上一脉相承，但调控的对象由微纳结构变成了分子取向。借助液晶的几何相位效应，厚度只有两微米、约为头发直径五十分之一的薄膜就能实现透镜等光学功能，可以贴附在各类透明基底上，在AR眼镜等轻便设备上潜力可观。团队还在尝试用多层液晶薄膜构建衍射神经网络，光穿过层层分子排列便完成运算，能快速识别手写数字，而且几乎不耗电。这条路把原本属于显示产业的基础能力，延伸到平面光学与光计算等新的领域。

三、软物质研究的前沿

        韦教授从几个具体方向展示了软物质物理当前的活跃图景。最富戏剧性的进展来自玻恩那个被搁置了近百年的预言，2017年日本和英国的研究团队先后合成出极性很强的液晶分子，2020年美国的研究团队证实其中出现的新相正是玻恩当年预言的极性向列相。这类铁电液晶响应速度快、驱动电压低，还可能带来非线性光学等新效应，是当前最受关注的方向之一。韦教授团队还借鉴宇宙早期演化中对称性破缺形成拓扑缺陷的思路，花了四年时间弄清了铁电液晶中由面缺陷和点缺陷组合而成的复合结构。

        另一个引人入胜的方向是活物质。鸟群、细菌群落以及人体中不断迁移的细胞，都可以看作由能自主运动的单元组成的系统，其理论框架与液晶物理相通，对无人机集群这类没有中心指挥的分布式系统也有借鉴价值。团队承担了国家重点研发计划项目，研究细胞与细菌的集群运动，这些基础问题也与组织工程等长远应用相关。报告临近尾声，韦教授感慨，科学进步常常迂回曲折，一个世纪前的预言会在今天得到验证，许多看似平淡的现象还藏着未被理解的结构，对软物质的研究远未结束。

        互动环节，现场听众提问踊跃，话题从手性与螺旋结构的关系，延伸到国内外研究差距、活物质研究的路径，再到实验室成果产业化的难点。谈到研究差距，韦教授认为中国在软物质领域的研究已处于前沿，国际会议上反倒是欧洲同行关心某些新材料是否需要从中国购买，从基础研究到产业转化的速度正是国内的优势。回答产业化问题时他指出，科研和产业化遵循不同的逻辑，实验室做出一个样品就算成功，产业化却必须从市场需求出发。他以液晶显示的兴起为例，当时没有别的技术可用于笔记本电脑，企业赚到钱才有资源持续改进技术。他还提到深圳一家企业研发多年的骨传导耳机，这款产品满足了既能听音乐又能听清环境声的独特需求，市场因此顺利打开。

        从千字文里的物有三态，到两微米厚的平面透镜，这场讲座让听众看到，软物质既藏在身边的日常生活里，也站在科学研究最活跃的前沿。（通讯作者：杨月涓）