Мягкая материя - Soft matter

Мягкое вещество или мягкое конденсированное вещество - это подполе конденсированного вещества, состоящее из множества физических систем, которые деформируются или структурно изменяются под действием теплового или механического напряжения величиной тепловых флуктуаций. Они включают жидкости , коллоиды , полимеры , пену , гели , гранулированные материалы , жидкие кристаллы , подушки , плоть и ряд биологических материалов . Эти материалы имеют важную общую особенность, заключающуюся в том, что преобладающее физическое поведение проявляется в масштабе энергии, сравнимом с тепловой энергией при комнатной температуре . При таких температурах квантовые аспекты обычно не важны. Пьер-Жиль де Жен , которого называли «отцом-основателем мягкой материи», получил Нобелевскую премию по физике в 1991 году за открытие, что методы, разработанные для изучения явлений порядка в простых системах, могут быть обобщены на более сложные случаи, обнаруженные в мягких системах. имеют значение, в частности, для поведения жидких кристаллов и полимеров .

Отличительная физика

Интересное поведение возникает из мягкой материи способами, которые невозможно предсказать или трудно предсказать, непосредственно на основе ее атомных или молекулярных составляющих. Материалы, называемые мягкой материей, демонстрируют это свойство из-за общей склонности этих материалов к самоорганизации в мезоскопические физические структуры. Напротив, в физике твердого конденсированного состояния часто можно предсказать общее поведение материала, потому что молекулы организованы в кристаллическую решетку без изменений в структуре на любом мезоскопическом масштабе.

Одной из определяющих характеристик мягкой материи является мезоскопический масштаб физических структур. Структуры намного больше, чем микроскопический масштаб (расположение атомов и молекул ), и все же намного меньше макроскопического (общего) масштаба материала. Свойства и взаимодействия этих мезоскопических структур могут определять макроскопическое поведение материала. Например, турбулентные вихри, которые естественным образом возникают в текущей жидкости , намного меньше, чем общее количество жидкости, и все же намного больше, чем ее отдельные молекулы, и появление этих вихрей контролирует общее поведение потока материала. Кроме того, пузырьки, составляющие пену, являются мезоскопическими, потому что они по отдельности состоят из огромного количества молекул, и, тем не менее, сама пена состоит из большого количества этих пузырьков, и общая механическая жесткость пены возникает в результате комбинированного взаимодействия пузыри.

Вторая общая черта мягкой материи - это важность тепловых флуктуаций. Типичные энергии связи в структурах мягкой материи имеют такой же масштаб, как и тепловые энергии. Поэтому конструкции постоянно подвергаются тепловым колебаниям, совершая броуновское движение .

Наконец, третьей отличительной чертой системы мягкой материи является самосборка. Характерное сложное поведение и иерархические структуры возникают спонтанно, когда система движется к равновесию.

Мягкие материалы также демонстрируют интересное поведение во время разрушения, потому что они сильно деформируются перед распространением трещины. Следовательно, разрушение мягкого материала значительно отличается от общей формулировки механики разрушения .

Приложения

Мягкие материалы важны в широком спектре технологических применений. Они могут выступать в виде конструкционных и упаковочных материалов, пен и клея, моющих и косметических средств, красок, пищевых добавок, смазочных материалов и топливных добавок, резины в шинах и т. Д. Кроме того, ряд биологических материалов (кровь, мышцы, молоко, йогурт, желе) классифицируются как мягкие вещества. Жидкие кристаллы , еще одна категория мягкой материи, проявляют чувствительность к электрическим полям, что делает их очень важными материалами в устройствах отображения (ЖКД). Несмотря на различные формы этих материалов, многие из их свойств имеют общее физико-химическое происхождение, например большое количество внутренних степеней свободы, слабые взаимодействия между структурными элементами и тонкий баланс между энтропийным и энтальпийным вкладом в свободную энергию . Эти свойства приводят к большим тепловым флуктуациям , разнообразию форм, чувствительности равновесных структур к внешним условиям, макроскопической мягкости и метастабильным состояниям. Активные жидкие кристаллы - еще один пример мягких материалов, в которых составные элементы жидких кристаллов могут двигаться самостоятельно. Мягкие вещества, такие как полимеры и липиды, также нашли применение в нанотехнологиях.

Исследовать

Осознание того, что мягкая материя содержит бесчисленные примеры нарушения симметрии , обобщенной упругости и множества флуктуирующих степеней свободы, возродило классические области физики, такие как жидкости (теперь обобщенные на неньютоновские и структурированные среды) и эластичность (мембраны, волокна и т. Д.). и анизотропные сети важны и имеют общие аспекты).

Исторически проблемы, рассматриваемые на заре науки о мягкой материи, относились к биологическим наукам. Таким образом, важной частью исследований мягкого конденсированного вещества является биофизика, основной целью которой является сведение области клеточной биологии к концепциям физики мягкого вещества.

Связанный

Смотрите также

использованная литература

И. Хэмли, Введение в мягкую материю (2-е издание), Дж. Вили, Чичестер (2000).
RAL Jones, Мягкое конденсированное вещество , Oxford University Press, Oxford (2002).
Т.А. Виттен (с П.А. Пинкус), Структурированные жидкости: полимеры, коллоиды, поверхностно-активные вещества , Оксфорд (2004).
М. Клеман, О. Д. Лаврентович, Физика мягкой материи: введение , Springer (2003).
М. Митов, Чувствительные вещества: пены, гели, жидкие кристаллы и другие чудеса , Издательство Гарвардского университета (2012).
JN Israelachvili, Межмолекулярные и поверхностные силы , Academic Press (2010).
А.В. Звелиндовский (редактор), Наноструктурированная мягкая материя - эксперимент, теория, моделирование и перспективы , Springer / Dordrecht (2007), ISBN 978-1-4020-6329-9 .
М. Дауд, CE Вильямс (редакторы), Физика мягкой материи , Springer Verlag, Берлин (1999).
Джеральд Х. Ристоу, Формирование структуры в зернистых материалах , Springer Tracts in Modern Physics, v. 161. Springer, Berlin (2000). ISBN 3-540-66701-6 .
де Жен, Пьер-Жиль, Мягкая материя , Нобелевская лекция, 9 декабря 1991 г.
С. А. Сафран, Статистическая термодинамика поверхностей, границ раздела и мембран , Westview Press (2003)
Р.Г. Ларсон, "Структура и реология сложных жидкостей", Oxford University Press (1999)
Ганг, Олег, "Мягкое вещество и биоматериалы в наномасштабе: Справочник WSPC по функциональным наноматериалам - Часть I (в 4 томах)" , World Scientific PUblisher (2020)

внешние ссылки

СМИ, связанные с мягкой материей, на Викискладе?

Нобелевская лекция Пьера-Жиля де Женна
Тематическая группа по мягкому веществу Американского физического общества (GSOFT)
Softbites - блог, который ведут аспиранты и постдоки, который делает мягкую материю более доступной с помощью небольших постов, в которых резюмируются текущие и классические исследования мягкой материи.
Softmatterworld.org
Softmatterresources.com
SklogWiki - вики, посвященная простым жидкостям, сложным жидкостям и мягким конденсированным веществам.
Гарвардская школа инженерии и прикладных наук Soft Matter Wiki - систематизирует, рассматривает и обобщает научные статьи по мягкой материи.
Разработка мягкой материи - группа, занимающаяся разработкой мягкой материи в Университете Флориды.
Страница Google Scholar о мягкой материи

Languages

In other projects