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液態是物質存在的基本形態之一，在自然界、在生命體中，在人們日常生活中存在。地球表面大部分被水覆蓋，地球內部則是熔融的巖漿。在生命體中，液體是主要組成部分，是生命賴以生存的基本因素。在材料制備和化工過程中，很多以液態為母相，由液態物質或通過液態物質制備固態物質，如冶金、晶體生長、玻璃制造、化學制品、藥品等。人們生活中*的飲料、食油、燃油、藥水，日常使用的洗滌劑、墨水、膠水、油漆等也都是液體。液態存在的普遍性和液態物質的重要性已盡人皆知。人們對液態的研究已有很長的歷史。可是，對液態的微觀結構、物理性質和變化規律的深入研究和認識，還是近幾十年的事，有些則剛剛開始。

什么是液態，很難用一個嚴格定義來表述。一般認為，液體是有一定體積而不永遠保持自身形狀的凝聚物質。然而，有些情況下，不易區分一種物質是屬于固態還是液態。例如，熔化的玻璃冷卻時隨溫度降低逐步變硬，膠水逐漸變干，液一固混合物隨液-固比例不同的變化過程等。

一般說來，液體可分為簡單液體和復雜液體（compLex fLuid）兩類。簡單液體是指物質熔化或溶解形成的物態，例如液化的氣體、水、液態金屬、熔鹽、熔態玻璃、各種真溶液等。在這些體系中，不管組分是簡單還是復雜，其原子或分子基本上是均勻地、無序地分布，呈現典型的液態特征。復雜液體則是指液體中包含很大的分子（如聚合物）或固體顆粒、液體微滴、氣泡等，形成互不相溶的混合物。常見的復雜液體有聚合物、液晶、懸浮液、混合液、膠體、泡沫等。顯示出與簡單液體很不相同的特性。簡單液體和復雜液體的主要區別可概括如下：簡單液體中，主要是近鄰原子或分子間的相互作用，作用尺度大約為幾個埃的范圍；相互作用能大體相應于分子的動能，約為kT（k為波爾茲曼常數，T為溫度）的量級；原子或分子運動到鄰近位置的時間很短；對這種液體施加任何切變作用都會引起液體流動，粘滯系數與切變速率無關，為牛頓液體。而復雜液體中分子或組成的單元尺度很大，為幾十或更大；相互作用能比kT大得多；分子或構體單元運動速度也慢得多；粘滯系數與切變速率有關，一般屬于非牛頓液體。

液態物理的研究，對于簡單液體，主要是研究其微觀結構、性質，及其相互關系和變化規律。同時還包括液-固、液-氣轉變及有關的表面和界面問題。對于復雜液體，則還應考慮構成單元之間的相互作用和變化規律。下面將概述有關的研究進展和狀況。為講述方便，下述的“液體”一般指簡單液體，而對復雜液體則特別注明。

液體中原子或分子不像晶體中那樣周期性排列，而是無序地分布。粗粗看來，似乎很難描述，但仍有一定分布規律。液體中原子之間的相互作用與固體中相似，有離子鍵、金屬鍵、共價鍵、分子鍵等。這些相互作用使原子凝聚在一起。兩個原子之間的距離小不會小于兩個原子半徑之和，而大一般不會形成容許另一個原子可以進入的空洞。因此，一個原子周圍總是有若干原子與它形成某種配位狀態。以一個原子為中心向外的分布規律可以用一種徑向分布函數來描述。徑向分布函數是描述液體平均結構的方法。對于液態金屬，可用硬球無規密堆積模型來近似表述其結構。由于原子無規分布，液態金屬的密度一般比對應的固態低5％左右。平均原子間距略有變化，原子的配位數為9-11。對單組元液態金屬的結構研究較多，這類金屬在固態的結構一般為面心立方、密堆六方或體心立方，但液態的結構大致相同，只略有區別。離子晶體熔化后通稱熔鹽。由于正負離子間的庫侖相互作用較強，一般形成正負離子配位，即正離子為負離子配位，負離子為正離子配位。研究較多的是金屬鹵化物熔鹽。其配位數與晶態相近，原子間距多數比晶態中略小。然而第二配位層的情況比較復雜，有些差別很大。除此之外，還研究了一些熔點較低的熔鹽體系，如氟化物、硫化物、硒化物等。一般氧化物熔點較高，結構研究開展甚少。

共價結合的半導體，如Si、Ge、Gasb等熔化后，共價鍵被破壞，成為金屬態，密度增大，結構變化很大。上述這些半導體，固態原子配位數為4，液態平均配位數則為5-7左右，與液態金屬比較接近。這種變化是值得深入研究的問題。

研究液體結構主要用X射線或中子散射方法。近年來，用X射線吸收精細結構譜（XAFS）方法研究熔體結構也獲得很好結果。這些方法可測量液體的徑向分布函數，得到配位數、原子間距等結構參數。此外，其它一些方法也可提供某些結構信息。

液體物理性質的研究范圍很廣，大部分固體中研究的性質可在液體中進行對比研究。除此之外，液體的表面張力、粘滯性和流動性是液體*的性質。下面略述液體中一些引人注意的重要現象和性質。

元素周期表中約五分之四的元素是金屬，這些元素液態時仍保持其金屬性。一些非金屬元素如C、Si、Ge、Te等熔化后也成金屬態或半金屬。除氣體元素外，只有Se和S的液態為非金屬。

液氦具有特別的性質。液氦是自然界凝固點低的物質，可以在接近溫度零度時以超流現象，即其粘滯性幾乎等于零，可以無阻力地流動。這是一種宏觀量子效應，其它液體不會產生這種現象。

化合物或混合物溶化后的性質與其結構密切相關。對于液態合金研究較多。其中受到注意的是有關金屬-非金屬轉變的現象。AuCs和Mg3Bi2合金是典型的例子。這兩種合金在固態時為金屬，液態則成為非金屬。一般認為這是由于液態時具有離子結合的特征，形成異類原子的配位結構。很顯然，這也可看作是這類二組元液態合金隨成分變化而發生金屬-非金屬轉變，因為Au、Cs、Mg、Bi在液態時均為金屬態，Au-Cs和Mg-Bi體系成分改變至AuCs和Mg3Bi2時逐漸變成非金屬態。這種轉變機理的研究受到很多關注。元素溶化后也可發生互不相溶的情況，就象水和油互不相溶一樣。例如，液態Se和液態Rb在一定溫度和壓力范圍存在互不相溶的兩相區，這一問題尚未深入研究。

固體熔化、液體結晶是重要的物理現象，以來進行了很多研究。到目前為止，熔化的微觀機理仍是沒有解決的問題。另一方面，結晶的微觀過程也很不清楚。核心問題是固-液界面的結構和性質如何。這涉及界面附近液體中、固體中及液-固間原子的相互作用，這仍然是物理學家的難題。談到熔化，人們自然會提出這樣一個問題，為什么一般觀測不到過熱熔化現象，即在通常情況下，晶體總是在熔點熔化，不會超過熔點才熔化。相反，液體結晶時卻可過冷，甚至可有很大的過冷度。這種結晶的過冷度是由于晶核形成能的要求，已得到比較深入的認識。熔化不需過熱這一現象表明，在達到熔點以前晶體中已有某種液核形成，稱之為預熔化。近年來才得到比較可靠的觀測結果。實驗發現，晶體的某些表面在熔點以下開始發生表面熔化。例如，單晶Pb的（110）面在低于熔點40度時就發生幾個原子層的熔化，隨著溫度升高，熔化層厚度增加，達到熔點時則晶體熔化。此外，還觀測到冰、AL、Au等的表面熔化現象。其中冰在零下20度就可發生表面熔化。對表面熔化的研究也是當前熱點之一。

液-氣轉變臨界點附近的性質也是有興趣的問題。液-氣轉變時性質的變化比液-固轉變時大得多。這是由于液-固轉變時原子的局域結構變化小，密度變化也不大。而液-氣轉變時變化則很大。例如，金屬熔化時體積只改變百分之幾，電導率也變化不大。然而液態金屬氣化時，密度和結合形式發生了根本變化，氣化后成為非金屬，原子間成為范德瓦爾斯弱相互作用。由于一般元素臨界溫度很高，臨界氣壓較大，研究臨界點附近的性質和結構很困難。目前可獲得較好實驗數據的主要還是臨界溫度較低的Hg、Cs、Rb、K、Na等元素，它們的臨界溫度分別為1478℃、1651℃、1744℃、1905℃和2212℃。

水是重要的液體。水對于生命體、環境、工農業及人們日常生活至關重要，水的研究已形成一門專門的科學。然而，無論是對水本身還是對水和其他物質相互作用的認識還需大大加深。例如，在生物體中，水的作用和變化就很復雜，遠沒有認識清楚。就水本身而言，為什么在4℃時密度大，直到近才報道了這一現象原因的微觀結構解釋。

復雜液體包含很廣的領域和豐富的科學內涵。液晶及聚合物均屬于復雜液體，已受到廣泛重視，并被很多人了解，不再詳述。這里介紹其他一些復雜液體。懸浮液是液體中加入不溶微粒而成。懸浮液中顆粒，可以是均勻分散的，在有些情況下顆粒集聚有自組織形為。例如，納米尺度的金膠粒在溶液中會因其相互作用而產生分形結構，即密度和體積為分數維關系（圖1）。在外場作用下，有些懸浮液會出現特別的結構和性質。磁流體（ferrofLuid）是用尺寸約10納米鐵磁顆粒制成的懸浮液，在外磁場作用下，這些顆粒形成迷宮狀的自組織圖象（圖2）。這種效應已用于真空密封。電流變液（eLectrorheoLogica fLuid）則是將介質顆粒與不導電的液體混合而成。在電場作用下，顆粒可形成鏈狀或柱狀分布。在柱狀分布時，顆粒會象晶體中原子那樣有序排列。隨著電場強度的變化，電流變液的粘滯性發生很大變化，從類似液體變成類似固體。這種通過電場強度調節物質軟硬的效應在技術上有重要應用前景，已逐漸發展成新型的智能液體。當懸浮液中的顆粒尺度與光波波長相近時，若采用適當方法將顆粒有序排布，就可形成“光子晶體”，光在其中傳播特性就會象電子在晶體中傳播那樣，具有能帶結構和局域化現象。目前正在實驗上努力實現這種效應的觀測。

液-液分散體系是另一類復雜液體。油和水形成的乳液就是其中一種（常見的牛奶就是乳液）。隨分散體系中液滴尺度的不同，還可分成不同類型，性質各不相同。通過添加表面活性劑（surfactant），可形成熱力學穩定體系。當微滴尺寸為幾納米至幾十納米時，形成微乳液（microemuLsion），看上去就象真溶液，可穩定存在。若是油包水型微乳液，其中水的結構和性質會與普通水很不相同。對這些體系的研究與生命體中的體液、細胞、細胞膜及其功能密切相關，也與生物工程、材料制備、石油探采及人們的日常生活（如藥品、洗滌劑、化妝品等）密切相關。

上述各種復雜液體，各自具有特殊的結構和性質，有與簡單液體不同的相互作用和變化規律，對它們的研究不但可豐富我們對物質世界的認識，而且有重要的應用背景。然而，由于其組成和結構的多樣性、相互作用的復雜性，以及其特殊的性質，深入研究和認識這些復雜體系，是物理學家面臨的挑戰。

液態物理是凝聚態物理的重要組成部分，其對象廣泛、內容豐富。與人們對氣體和固體的認識相比，對液態的認識還很不深入。這主要是研究液態存在著理論上和實驗上的困難。隨著實驗技術的發展，理論和計算能力的提高，特別是社會和技術發展的需要，推動了液態物理研究的開展。近年愈來愈多的物理學家投入到液態研究領域，并形成多學科交叉。有理由認為，在21世紀，液態物理將會成為一門重要的、內容豐富的學科。