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。