Кіріспе

Конденсацияланған материя физикасының кіші саласы – журнал.

Жұмсақ материя немесе жұмсақ конденсацияланған материя – жылулық немесе механикалық кернеудің жылулық флуктуациялар деңгейіне тең болатын шамамен деформацияланатын немесе құрылымдық өзгерістерге ұшырайтын әртүрлі физикалық жүйелерді қамтитын конденсацияланған материяның кіші саласы. Бұл материалдардың ортақ ерекшелігі – басым физикалық қасиеттері бөлме температурасындағы жылу энергиясымен (kT шамасында) салыстырылатын энергия деңгейінде пайда болады және энтропия басты фактор болып есептеледі. Мұндай температурада кванттық құбылыстар көбінесе маңызды емес. Жұмсақ материалдарға сұйықтықтар, коллоидтар, полимерлер, көбіктер, гельдер, ұсақ бөлшекті материалдар, сұйық кристалдар, тіндер және көптеген биоматериалдар жатады. Жұмсақ материалдар беттермен жақсы өзара әрекеттескенде, сыртқы қысым күші болмаса да, қысылып қалады. "Жұмсақ материяның негізін қалаушысы" деп аталған Пьер Жиль де Жен 1991 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығын алды, себебі ол қарапайым жүйелердегі реттелу құбылыстарын зерттеуге арналған әдістерді жұмсақ материядағы күрделі жағдайларға, әсіресе сұйық кристалдар мен полимерлердің қасиеттерін зерттеуге қолдануға болатынын ашты.

Тарих

Қазіргі кездегі жұмсақ материя туралы түсінік Альберт Эйнштейннің Браун қозғалысы жөніндегі еңбегінен қалыптасты, ол сұйықтықтағы бөлшектің сұйықтықтың өзіне ұқсас жылу энергиясына ие болуы керектігін түсіндірді (kT шамасында). Бұл жұмыс қазірде колоидтар деп есептелетін жүйелерді зерттеуге негізделген. Сұйық кристалдардың кристалдық оптикалық қасиеттері және олардың ағып кету қабілеті алғаш рет 1888 жылы Фридрих Райнитцермен сипатталды, ал 1889 жылы Отто Леманн оны одан әрі сипаттады. Леманн холестерил бензоатының екі балқу нүктесін зерттеу үшін қолданған тәжірибелік орнатылымы бүгінге дейін сұйық кристалдарды зерттеуде қолданылуда. 1920 жылы 1953 жылы химия саласындағы Нобель сыйлығының иегері Герман Штаудингер полимерлердің кіші молекулаларды ковалентті байланыстар арқылы біріктіру арқылы түзілетінін алғаш рет ұсынды. Макромолекула туралы идея сол кезде беймәлім болды, ғылыми консенсус бойынша табиғи резеңке сияқты қосылыстардың жоғары молекулалық салмағы бөлшектердің жиналуына байланысты деп есептелді. Гидрогельді биомедициналық салада қолдануды 1960 жылы Драхослав Лим және Отто Вихтерле бастады. Олар химиялық тұрақтылық, деформацияның жеңілдігі және сулы ортадағы белгілі бір полимерлік желілердің өткізгіштігі медицинаға маңызды әсер ететінін болжады және жұмсақ контактты линзаны ойлап тапты. Бұл көрінеу бөлек салаларға Пьер Жиль де Женн үлкен әсер етті және оларды біріктірді. Де Женннің жұмсақ материяның әртүрлі формалары бойынша жұмысы оның әмбебаптығын түсінуде маңызды рөл атқарды, онда материалдың қасиеттері негізгі құрылымның химиясына емес, көбірек негізгі химияның мезоскопиялық құрылымдарына байланысты.

Өзгеше физикасы

Қызықты мінез-құлықтар жұмсақ материяда оның атомдық немесе молекулалық құрамдас бөліктерінен тікелей болжау мүмкін емес немесе болжауы қиын жолдармен пайда болады. Жұмсақ заттар деп аталатын материалдар осы материалдардың мезоскопиялық физикалық құрылымдарға өздігінен ұйымдасуға бейімділігіне байланысты осы қасиетті көрсетеді. Макроскопиялық материалды құрайтын мезоскопиялық құрылымдардың құрастырылуы төмен энергиямен басқарылады, ал осы төмен энергиялық байланыстар материалдың жылулық және механикалық деформациясына мүмкіндік береді. Керісінше, қатты конденсирленген материя физикасында материалдың жалпы мінез-құлқын болжау көбінесе мүмкін, себебі молекулалар мезоскопиялық масштабта ешқандай өзгеріссіз кристалдық торға ұйымдастырылған. Қатты материалдардан айырмашылығы, онда жылулық немесе механикалық әсерден тек шағын бұрмаланулар пайда болады, жұмсақ заттар микроскопиялық құрылыс блоктарының жергілікті қайта орналасуына ұшырай алады. Жұмсақ материяның ерекшелігі – физикалық құрылымдардың мезоскопиялық масштабы. Бұл құрылымдар микроскопиялық масштабтан (атомдар мен молекулалардың орналасуы) әлдеқайда үлкен, бірақ материалдың макроскопиялық (жалпы) масштабынан әлдеқайда кіші. Осы мезоскопиялық құрылымдардың қасиеттері мен өзара әрекеттесулері материалдың макроскопиялық мінез-құлқын анықтауы мүмкін. Бұл мезоскопиялық құрылымдарды құрайтын құрамдас бөліктердің көптігі және осының салдарынан туындайтын үлкен еркіндік дәрежесі үлкен масштабтағы құрылымдар арасындағы жалпы тәртіпсіздікке алып келеді. Бұл тәртіпсіздік қатты материяға тән ұзақ қашықтықтағы тәртіптің жоғалуына әкеледі. Мысалы, ағып жатқан сұйықтықта табиғи түрде пайда болатын турбулентті айналымдар сұйықтықтың жалпы көлемінен әлдеқайда кіші, бірақ оның жеке молекулаларынан әлдеқайда үлкен, ал осы айналымдардың пайда болуы материалдың жалпы ағып кетуін басқарады. Сондай-ақ, көбікті құрайтын көпіршіктер мезоскопиялық, себебі олар жеке-жеке көптеген молекулалардан тұрады, ал көбіктің өзі осы көпіршіктердің көп санынан тұрады, көбіктің жалпы механикалық беріктігі көпіршіктердің біріктірілген өзара әрекеттесуінен туындайды. Жұмсақ материя құрылымдарындағы типикалық байланыс энергиясы жылу энергиясымен шамалас, сондықтан құрылымдар үнемі жылулық флуктуацияларға ұшырайды және Браун қозғалысын бастан кешіреді. Бұл қасиет сыртқы әсер арқылы бастапқы күйге оралуға мүмкіндік береді және зерттеулерде жиі қолданылады. Өзін-өзі құрастыру – жұмсақ материя жүйелерінің ішкі қасиеті. Күрделі мінез-құлық пен иерархиялық құрылымдар жүйе тепе-теңдікке қарай дамуы барысында өздігінен пайда болады. Динамикалық өзін-өзі құрастыру кинетикалық тұтқындау арқылы осы метатұрақ күйдегі жұмсақ материалдардың функционалдық дизайнында қолданылуы мүмкін. Жұмсақ материалдар көбінесе сыртқы әсерлерге иілгіштік және тұтқырлық реакцияларын көрсетеді. Жұмсақ заттар жарық таралу алдында қатты деформацияланады, бұл жалпы сынық механикасының қағидаларынан едәуір өзгеше. және материалдар ғылымы мен дәрі-дәрмектерді жеткізуден бастап, ақуыздарды кристалдауға дейін қолданылады.

Қуаныштар

Құрамында газ дисперстенген, қуыстар түзілген сұйық немесе қатты заттан көпіршіктер тұрады. Бұл құрылым жүйеге үлкен көлемге шағылысқан беттік аудан қатынасын сыйлайды. Көпіршіктер жылу оқшаулау және тоқыма өнімдерінде қолданылады. Механикалық және жылулық кернеуге сезімтал функционалды гельдерді, сондай-ақ еріткіштерді таңдау бойынша жүргізілген зерттеулер пішін жадын сақтау немесе белгілі бір молекулаларды таңдап, қайта байланыстыру қабілеті сияқты ерекшеліктері бар әртүрлі құрылымдарды жасауға мүмкіндік берді. Коллоидтарды зерттеудің басты мақсаты – материяның құрылымдық ұйымдасуын түсіну болып табылады, ал коллоидтардың жеке молекулаларға қарағанда ірі құрылымдары оларды оңай байқауға мүмкіндік береді.

Сұйық кристалдар

Сұйық кристалдар ақуыздардан, кішкентай молекулалардан немесе полимерлерден тұруы мүмкін, оларды белгілі бір бағытта байланыстырылған реттілікке келтіруге болады. Олар сұйықтай ағып жатқан қасиет көрсетеді, бірақ кристаллдық реттелуге жақын болуы мүмкін. Сұйық кристалдардың бір ерекшелігі – олардың симметрияны өздігінен бұзу қабілеті. Сұйық кристалдар сұйық кристалл дисплейлері (LCD) сияқты оптикалық құрылғыларда кеңінен қолданылады.

Биологиялық мембраналар

Биологиялық мембраналар жеке фосфолипид молекулаларынан тұрады, олар ковалентті емес өзара әрекеттесулердің нәтижесінде екі қабатты құрылымға өздігінен жиналады. Мембрананың қалыптасуымен байланысты жергілікті, төмен энергия деңгейі үлкен масштабты құрылымның серпімді деформациялануына мүмкіндік береді.

Эксперименттік сипаттама

Мезомасштабты құрылымдардың жұмсақ заттың жалпы қасиеттеріндегі маңыздылығына байланысты, тәжірибелік жұмыстар негізінен материалдардың көлемдік қасиеттеріне бағытталған. Реология көбінесе материалдың кернеу астындағы физикалық өзгерістерін зерттеу үшін қолданылады, ал ядролық магниттік резонанс спектроскопиясы мембраналардың орташа құрылымын және липидтік қозғалғышты түсінуге пайдаланылуы мүмкін. Шашырату әдістерін кейбір жүйелерге қолдануда шектеулер бар, себебі олар изотропты және сұйылтылған үлгілерге жақсырақ сай келеді.

Микроскопиялық

Оптикалық микроскопия коллоидты жүйелерді зерттеуде қолданылуы мүмкін, бірақ жұмсақ материяның түрлерін сипаттау үшін көбінесе беріліс электронды микроскопиясы (ТЭМ) және атомдық күш микроскопиясы (АФМ) сияқты озық әдістер қолданылады, олар наноөлшемде жүйелерді картаға түсіруге қолайлы. Бұл бейнелеу техникалары жұмсақ материяның барлық түрлеріне бірдей жарамды емес, ал кейбір жүйелер бір талдауға екіншісінен гөрі көбірек сәйкес келуі мүмкін. Мысалы, ТЭМ-мен гидрогельдерді бейнелеу мүмкіндіктері шектеулі, себебі бейнелеу үшін қажетті процестерге байланысты қиындықтар туындайды, алайда флуоресценттік микроскопияны қолдану оңай.

Қолданбалар

Жұмсақ материалдар технологиялық қолданудың кең ауқымында маңызды, және әрбір жұмсақ материал көбінесе бірнеше ғылым салаларымен байланысты болады. Мысалы, сұйық кристалдар алғаш рет биология ғылымдарында, ботаник және химик Фридрих Райнитцер холестеролді зерттеген кезде табылды. Полимерлер жұмсақ заттармен кеңінен таралған және латекс қолғаптардағы табиғи каучуктан бастап, шиналардағы вулканизацияланған каучукқа дейін әртүрлі қолданыстарға ие. Полимерлер материалтануда қолданылатын жұмсақ заттардың кең ауқымын қамтиды, мысалы, гидрогель. Гидрогельдер серпімділікке ұшырау қабілетіне ие болғандықтан, 3D-басып шығаруды дамытуға өте ыңғайлы. Полимерлер сонымен қатар ақуыздар сияқты биологиялық молекулаларды қамтиды, онда жұмсақ заттарды зерттеуден алынған жаңа түсініктер ақуыздардың кристалдануы сияқты мәселелерді жақсырақ түсінуге көмектеседі. Тарихи тұрғыдан алғанда, жұмсақ материя ғылымының бастапқы кезеңдерінде қарастырылған мәселелер биологиялық ғылымдармен байланысты болды. Сондықтан, жұмсақ материяны зерттеудің маңызды саласы – биофизика, оның басты мақсаты жасуша биологиясын жұмсақ материя физикасының ұғымдарына дейін тоғыстыру болып табылады. Жұмсақ заттардың қасиеттерін қолдану мембраналардың жылдамдығы және қанның реологиясы сияқты биологиялық маңызды мәселелерді түсіну үшін пайдаланылады.