Введение

Подполе физики конденсированного вещества, журнал

Мягкое вещество, или мягкое конденсированное вещество, – это подполе физики конденсированного вещества, включающее в себя разнообразные физические системы, которые деформируются или изменяют свою структуру под воздействием термического или механического напряжения, сопоставимого по величине с тепловыми флуктуациями. Общей важной характеристикой этих материалов является то, что преобладающие физические явления происходят в энергетическом масштабе, сравнимом с тепловой энергией при комнатной температуре (порядка kT), и энтропия считается доминирующим фактором. При этих температурах квантовые эффекты, как правило, несущественны. К мягким материалам относятся жидкости, коллоиды, полимеры, пены, гели, гранулированные материалы, жидкие кристаллы, ткани и ряд биоматериалов. При благоприятном взаимодействии с поверхностями мягкие материалы сжимаются без приложения внешней сжимающей силы. Пьер Жиль де Женн, которого называют «отцом-основателем мягкой материи», получил Нобелевскую премию по физике в 1991 году за открытие того, что методы, разработанные для изучения явлений упорядочения в простых системах, могут быть обобщены для более сложных случаев, встречающихся в мягкой материи, в частности, для описания поведения жидких кристаллов и полимеров.

История

Современное понимание мягкой материи выросло из работы Альберта Эйнштейна по броуновскому движению, из понимания того, что частица, взвешенная в жидкости, должна обладать сопоставимой тепловой энергией с самой жидкостью (порядка kT). Эта работа опиралась на уже существовавшие исследования систем, которые сегодня рассматриваются как коллоиды. Кристаллические оптические свойства жидких кристаллов и их способность к течению впервые были описаны Фридрихом Райнитцером в 1888 году, а затем более детально охарактеризованы Отто Леманном в 1889 году. Экспериментальная установка, которую Леман использовал для изучения двух точек плавления бензоата холестерина, до сих пор применяется в исследованиях жидких кристаллов. В 1920 году Герман Штаудингер, лауреат Нобелевской премии по химии 1953 года, первым предположил, что полимеры формируются посредством ковалентных связей, соединяющих более мелкие молекулы. Идея макромолекулы была совершенно новой для того времени, и общепринятым было мнение, что зафиксированные высокие молекулярные массы соединений, таких как натуральный каучук, обусловлены агрегацией частиц. Применение гидрогелей в биомедицине было впервые разработано в 1960 году Драхославом Лимом и Отто Вихтерле. Они совместно предположили, что химическая стабильность, легкость деформации и проницаемость определенных полимерных сетей в водной среде окажут значительное влияние на медицину, и стали изобретателями мягких контактных линз. Эти, казалось бы, отдельные области были существенно повлияны и объединены работами Пьера Жиля де Женна. Исследования де Женна различных форм мягкой материи сыграли ключевую роль в понимании её универсальности, где свойства материала определяются не химией базовой структуры, а скорее мезоскопическими структурами, которые формируются под воздействием этой химии.

Отличительная физика

Интересные явления возникают в мягких материалах способами, которые невозможно предсказать или трудно предсказать непосредственно из их атомного или молекулярного состава. Материалы, называемые мягкой материей, демонстрируют это свойство благодаря общей склонности этих материалов к самоорганизации в мезоскопические физические структуры. Формирование мезомасштабных структур, составляющих макромасштабный материал, определяется низкими энергиями, и эти низкоэнергетические взаимодействия обеспечивают термическую и механическую деформацию материала. В отличие от этого, в физике твердого тела часто возможно предсказать общее поведение материала, поскольку молекулы организованы в кристаллическую решетку без изменений в структуре на каком-либо мезоскопическом масштабе. В отличие от твердых материалов, где при термическом или механическом воздействии возникают лишь небольшие искажения, мягкая материя может претерпевать локальные перестройки микроскопических строительных блоков. Определяющей характеристикой мягкой материи является мезоскопический масштаб физических структур. Эти структуры значительно больше микроскопического масштаба (расположения атомов и молекул), но при этом намного меньше макроскопического (общего) масштаба материала. Свойства и взаимодействия этих мезоскопических структур могут определять макроскопическое поведение материала. Большое количество составляющих, формирующих эти мезоскопические структуры, и большая степень свободы, которую это вызывает, приводят к общей неупорядоченности между крупномасштабными структурами. Эта неупорядоченность приводит к потере дальнего порядка, характерного для твердых тел. Например, турбулентные вихри, естественным образом возникающие в текущей жидкости, намного меньше общего объема жидкости, но при этом намного больше ее отдельных молекул, и возникновение этих вихрей контролирует общее течение материала. Кроме того, пузырьки, составляющие пену, являются мезоскопическими, поскольку каждый из них индивидуально состоит из огромного количества молекул, и при этом сама пена состоит из большого количества этих пузырьков, а общая механическая жесткость пены возникает из-за комбинированных взаимодействий пузырьков. Типичные энергии связи в структурах мягкой материи сопоставимы с тепловыми энергиями, поэтому структуры постоянно подвергаются тепловым флуктуациям и испытывают броуновское движение. Эта характеристика может позволить восстановить исходное состояние под воздействием внешнего стимула и часто используется в исследованиях. Самосборка является неотъемлемой характеристикой систем мягкой материи. Характерное сложное поведение и иерархические структуры возникают спонтанно по мере эволюции системы к равновесию. Динамическая самосборка может быть использована в функциональном проектировании мягких материалов с этими метастабильными состояниями посредством кинетической ловушки. Мягкие материалы часто проявляют как эластичность, так и вязкое отклики на внешние воздействия. Мягкие материалы сильно деформируются перед началом распространения трещин, что существенно отличается от общепринятой формулировки механики разрушения, и находят применение в материаловедении, доставке лекарств и кристаллизации белков.

Пенопласты

Пены состоят из жидкости или твердого вещества, в которых диспергирован газ, образующий полости. Такая структура обеспечивает большую площадь поверхности на единицу объема. Пены нашли применение в теплоизоляции и текстильной промышленности. Исследования по функционализации гелей, чувствительных к механическим и тепловым воздействиям, а также к выбору растворителя, привели к созданию разнообразных структур, обладающих такими свойствами, как память формы или способность избирательно и обратимо связывать молекулы-гости. Исследования коллоидов в основном направлены на понимание организации материи, при этом крупные структуры коллоидов, по сравнению с отдельными молекулами, достаточно велики для непосредственного наблюдения.

Жидкие кристаллы

Жидкие кристаллы могут состоять из белков, малых молекул или полимеров, которые можно использовать для создания упорядоченной структуры в определенном направлении. Они проявляют свойства, характерные для жидкостей, такие как текучесть, но при этом способны к почти кристаллическому выравниванию. Важной особенностью жидких кристаллов является их способность к спонтанному нарушению симметрии. Жидкие кристаллы нашли широкое применение в оптических устройствах, например, в жидкокристаллических дисплеях (LCD).

Биологические мембраны

Биологические мембраны состоят из отдельных молекул фосфолипидов, которые самоорганизуются в двухслойную структуру благодаря нековалентным взаимодействиям. Локализованная низкая энергия, выделяющаяся при формировании мембраны, обеспечивает возможность упругой деформации макроскопической структуры.

Экспериментальная характеристика

Ввиду важности мезомасштабных структур для определяющих свойств мягких материалов, экспериментальные исследования в основном сосредоточены на макроскопических свойствах этих материалов. Реология часто применяется для изучения физических изменений материала при деформации, а ядерный магнитный резонанс позволяет исследовать усредненную структуру и подвижность липидов в мембранах. Применение методов рассеяния ограничено в отношении некоторых систем, поскольку они более эффективны для изотропных и разбавленных образцов.

Микроскопия

Оптическая микроскопия может использоваться для изучения коллоидных систем, однако для характеристики форм мягких материалов часто применяют более совершенные методы, такие как просвечивающая электронная микроскопия (TEM) и атомно-силовая микроскопия (AFM), благодаря их возможности исследовать системы в наномасштабе. Эти методы визуализации не всегда подходят для всех классов мягких материалов, и некоторые системы лучше поддаются одному типу анализа, чем другому. Например, применение TEM для визуализации гидрогелей ограничено из-за требований к подготовке образцов, в то время как флуоресцентная микроскопия может быть использована без затруднений.

Приложения

Мягкие материалы играют важную роль в широком спектре технологических приложений, и каждый мягкий материал часто связан с несколькими научными дисциплинами. Например, жидкие кристаллы были впервые обнаружены в области биологических наук, когда ботаник и химик Фридрих Райнитцер изучал холестерин. Полимеры широко распространены в мягкой материи и находят разнообразное применение – от натурального каучука в латексных перчатках до вулканизированной резины в шинах. Полимеры охватывают широкий спектр мягкой материи, применяемой в материаловедении, примером чего является гидрогель. Благодаря способности к сдвиговому утоньчению, гидрогели хорошо подходят для разработки технологий 3D-печати. Полимеры также включают в себя биологические молекулы, такие как белки, и результаты исследований мягкой материи применяются для лучшего понимания таких явлений, как кристаллизация белков. Исторически, задачи, решаемые на ранних этапах развития науки о мягкой материи, были связаны с биологическими науками. Поэтому важным направлением исследований мягкой материи является биофизика, основной целью которой является объяснение явлений в клеточной биологии с помощью концепций физики мягкой материи. Характеристики мягкой материи используются для понимания биологически важных процессов, таких как подвижность мембран и реология крови.