Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Конденсацияланған материя физикасының кіші саласы – журнал.
Subfield of condensed matter physics
the journal
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.
Soft matter or soft condensed matter is a subfield of condensed matter comprising a variety of physical systems that are deformed or structurally altered by thermal or mechanical stress of the magnitude of thermal fluctuations. These materials share an important common feature in that predominant physical behaviors occur at an energy scale comparable with room temperature thermal energy (of order of kT), and that entropy is considered the dominant factor. At these temperatures, quantum aspects are generally unimportant. Soft materials include liquids, colloids, polymers, foams, gels, granular materials, liquid crystals, flesh, and a number of biomaterials. When soft materials interact favorably with surfaces, they become squashed without an external compressive force. Pierre Gilles de Gennes, who has been called the "founding father of soft matter," received the Nobel Prize in Physics in 1991 for discovering that methods developed for studying order phenomena in simple systems can be generalized to the more complex cases found in soft matter, in particular, to the behaviors of liquid crystals and polymers.
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.
The current understanding of soft matter grew from the Albert Einstein's work on Brownian motion, understanding that a particle suspended in a fluid must have a similar thermal energy to the fluid itself (of order of kT). This work built on established research into systems that would now be considered colloids. The crystalline optical properties of liquid crystals and their ability to flow were first described by Friedrich Reinitzer in 1888, and further characterized by Otto Lehmann in 1889. The experimental setup that Lehmann used to investigate the two melting points of cholesteryl benzoate are still used in the research of liquid crystals today. In 1920, Hermann Staudinger, recipient of the 1953 Nobel Prize in Chemistry, was the first person to suggest that polymers are formed through covalent bonds that link smaller molecules together. The idea of a macromolecule was unheard of at the time, with the scientific consensus that the recorded high molecular weights of compounds like natural rubber were instead due to particle aggregation. The use of hydrogel in the biomedical field was pioneered in 1960 by Drahoslav Lím and Otto Wichterle. Together, they postulated that the chemical stability, ease of deformation, and permeability of certain polymer networks in aqueous environments would have a significant impact on medicine, and were the inventors of the soft contact lens. These seemingly separate fields were dramatically influenced and brought together by Pierre Gilles de Gennes. de Gennes' work across different forms of soft matter were key in understanding its universality, where material properties are not based on the chemistry of the underlying structure, more so on the mesoscopic structures the underlying chemistry creates.
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.
Interesting behaviors arise from soft matter in ways that cannot be predicted, or are difficult to predict, directly from its atomic or molecular constituents. Materials termed soft matter exhibit this property due to a shared propensity of these materials to self organize into mesoscopic physical structures. The assembly of the mesoscale structures that form the macroscale material is governed by low energies, and these low energy associations allow for the thermal and mechanical deformation of the material. By way of contrast, in hard condensed matter physics it is often possible to predict the overall behavior of a material because the molecules are organized into a crystalline lattice with no changes in the pattern at any mesoscopic scale. Unlike hard materials, where only small distortions occur from thermal or mechanical agitation, soft matter can undergo local rearrangements of the microscopic building blocks. A defining characteristic of soft matter is the mesoscopic scale of physical structures. The structures are much larger than the microscopic scale (the arrangement of atoms and molecules), and yet are much smaller than the macroscopic (overall) scale of the material. The properties and interactions of these mesoscopic structures may determine the macroscopic behavior of the material. The large number of constituents forming these mesoscopic structures, and the large degrees of freedom this causes, results in a general disorder between the large scale structures. This disorder leads to the loss of long range order that is characteristic of hard matter. For example, the turbulent vortices that naturally occur within a flowing liquid are much smaller than the overall quantity of liquid and yet much larger than its individual molecules, and the emergence of these vortices control the overall flowing behavior of the material. Also, the bubbles that compose a foam are mesoscopic because they individually consist of a vast number of molecules, and yet the foam itself consists of a great number of these bubbles, and the overall mechanical stiffness of the foam emerges from the combined interactions of the bubbles. Typical bond energies in soft matter structures are of similar scale as thermal energies, therefore, the structures are constantly affected by thermal fluctuations and undergo Brownian motion. This characteristic can allow for recovery of initial state through an external stimuli and is often exploited in research. Self assembly is an inherent characteristic of soft matter systems. The characteristic complex behavior and hierarchical structures arise spontaneously as the system evolves towards equilibrium. Dynamic self assembly can be utilized in the functional design of soft materials with these metastable states through kinetic trapping. Soft materials often exhibit both elasticity and viscous responses to external stimuli, Soft matter becomes highly deformed before crack propagation, which differs significantly from the general fracture mechanics formulation. and from materials science and drug delivery to protein crystallization.
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.
Foams consist of a liquid or solid through which a gas has been dispersed to form cavities. This structure imparts a large surface area to volume ratio on the system. Foams have found applications in insulation and textiles, Research into functionalizing gels that are sensitive to mechanical and thermal stress, as well as solvent choice, have given rise to diverse structures with characteristics such as shape memory, or the ability to bind guest molecules selectively and reversibly. Research into colloids is primarily focused on understanding the organization of matter, with the large structures of colloids, relative to individual molecules, large enough that they can be readily observed.
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.
Liquid crystals can consist of proteins, small molecules, or polymers, that can be manipulated to form cohesive order in a specific direction. They exhibit liquid like behavior in that they can flow, yet they can obtain close to crystal alignment. One feature of liquid crystals is their ability to spontaneously break symmetry. Liquid crystals have found significant applications in optical devices such as liquid crystal displays (LCD).
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.
Biological membranes consist of individual phospholipid molecules that have self assembled into a bilayer structure due to non covalent interactions. The localized, low energy associated with the forming of the membrane allow for the elastic deformation of the large scale structure.
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.
Due to the importance of mesoscale structures in the overarching properties of soft matter, experimental work is primarily focused on the bulk properties of the materials. Rheology is often used to investigate the physical changes of the material under stress. while nuclear magnetic resonance spectroscopy can be used in understanding the average structure and lipid mobility of membranes. There are limitations in the application of scattering techniques to some systems, as they can be more suited to isotropic and dilute samples.
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.
Optical microscopy can be used in the study of colloidal systems, however, more advanced methods like transmission electron microscopy (TEM) and atomic force microscopy (AFM) are often used to characterize forms of soft matter due to their applicability to map systems at the nanoscale. These imagining techniques are not universally appropriate to all classes of soft matter and some systems may be more suited to one analysis over the other. For example, there are limited applications in imagining hydrogels with TEM due to the processes required for imaging, however, fluorescence microscopy can be readily applied.
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.
Soft materials are important in a wide range of technological applications, and each soft material can often be associated with multiple disciplines. Liquid crystals, for example, were originally discovered in the biological sciences when the botanist and chemist Friedrich Reinitzer was investigating cholesterols. Polymers are ubiquitous with soft matter and have found diverse applications, from the natural rubber found in latex gloves to vulcanized rubber found in tires. Polymers encompass a large range of soft matter with applications in material science, an example of this is hydrogel. With the ability to undergo shear thinning, hydrogels are well suited for the development of 3D printing. Polymers also encompass biological molecules such as proteins, where research insights from soft matter research have been applied to better understand topics like protein crystallization. Historically the problems considered in the early days of soft matter science were those pertaining to the biological sciences. As such, an important application of soft matter research is biophysics with a major goal of the discipline being the reduction of the field of cell biology to the concepts of soft matter physics. Applications of soft matter characteristics are used to understand biologically relevant topics such as membrane mobility, as well as the rheology of blood.