Materia blanda - Soft matter
| Física de la Materia Condensada |
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| Fases · Transición de fase · QCP |
La materia blanda o materia blanda condensada es un subcampo de materia condensada que comprende una variedad de sistemas físicos que se deforman o alteran estructuralmente por estrés térmico o mecánico de la magnitud de las fluctuaciones térmicas. Incluyen líquidos , coloides , polímeros , espumas , geles , materiales granulares , cristales líquidos , almohadas , carne y varios materiales biológicos . Estos materiales comparten una característica común importante en el sentido de que los comportamientos físicos predominantes ocurren a una escala de energía comparable con la energía térmica a temperatura ambiente . A estas temperaturas, los aspectos cuánticos generalmente carecen de importancia. Pierre-Gilles de Gennes , quien ha sido llamado el "padre fundador de la materia blanda", recibió el Premio Nobel de Física en 1991 por descubrir que los métodos desarrollados para estudiar fenómenos de orden en sistemas simples se pueden generalizar a los casos más complejos encontrados en sistemas simples. materia, en particular, a los comportamientos de cristales líquidos y polímeros .
Física distintiva
Los comportamientos interesantes surgen de la materia blanda de formas que no se pueden predecir, o son difíciles de predecir, directamente a partir de sus constituyentes atómicos o moleculares. Los materiales denominados materia blanda exhiben esta propiedad debido a una propensión compartida de estos materiales a autoorganizarse en estructuras físicas mesoscópicas . Por el contrario, en la física de la materia dura condensada a menudo es posible predecir el comportamiento general de un material porque las moléculas están organizadas en una red cristalina sin cambios en el patrón en ninguna escala mesoscópica.
Una característica definitoria de la materia blanda es la escala mesoscópica de las estructuras físicas. Las estructuras son mucho más grandes que la escala microscópica (la disposición de átomos y moléculas ) y, sin embargo, son mucho más pequeñas que la escala macroscópica (general) del material. Las propiedades e interacciones de estas estructuras mesoscópicas pueden determinar el comportamiento macroscópico del material. Por ejemplo, los vórtices turbulentos que ocurren naturalmente dentro de un líquido que fluye son mucho más pequeños que la cantidad total de líquido y, sin embargo, mucho más grandes que sus moléculas individuales, y la aparición de estos vórtices controlan el comportamiento de flujo general del material. Además, las burbujas que componen una espuma son mesoscópicas porque individualmente consisten en una gran cantidad de moléculas y, sin embargo, la espuma misma consiste en una gran cantidad de estas burbujas, y la rigidez mecánica general de la espuma surge de las interacciones combinadas de la espuma. burbujas.
Una segunda característica común de la materia blanda es la importancia de las fluctuaciones térmicas. Las energías de enlace típicas en estructuras de materia blanda son de escala similar a las energías térmicas. Por lo tanto, las estructuras se ven constantemente afectadas por fluctuaciones térmicas, sufriendo un movimiento browniano .
Finalmente, una tercera característica distintiva del sistema de materia blanda es el autoensamblaje. El comportamiento complejo característico y las estructuras jerárquicas surgen espontáneamente a medida que el sistema evoluciona hacia el equilibrio.
Los materiales blandos también presentan un comportamiento interesante durante la fractura porque se deforman mucho antes de la propagación de la fisura. Por lo tanto, la fractura del material blando difiere significativamente de la formulación de la mecánica de fractura general .
Aplicaciones
Los materiales blandos son importantes en una amplia gama de aplicaciones tecnológicas. Pueden aparecer como materiales estructurales y de embalaje, espumas y adhesivos, detergentes y cosméticos, pinturas, aditivos alimentarios, lubricantes y aditivos para combustibles, caucho en neumáticos, etc. Además, una serie de materiales biológicos (sangre, músculo, leche, yogur, gelatina) son clasificables como materia blanda. Los cristales líquidos , otra categoría de materia blanda, muestran una capacidad de respuesta a los campos eléctricos que los hacen muy importantes como materiales en los dispositivos de visualización (LCD). A pesar de las diversas formas de estos materiales, muchas de sus propiedades tienen orígenes fisicoquímicos comunes, como un gran número de grados internos de libertad, interacciones débiles entre elementos estructurales y un delicado equilibrio entre las contribuciones entrópicas y entálpicas a la energía libre . Estas propiedades conducen a grandes fluctuaciones térmicas , una amplia variedad de formas, sensibilidad de las estructuras de equilibrio a las condiciones externas, suavidad macroscópica y estados metaestables. Los cristales líquidos activos son otro ejemplo de materiales blandos, donde los elementos constituyentes de los cristales líquidos pueden autopropulsarse. La materia blanda, como los polímeros y los lípidos, también ha encontrado aplicaciones en la nanotecnología.
Investigar
La comprensión de que la materia blanda contiene innumerables ejemplos de ruptura de simetría , elasticidad generalizada y muchos grados de libertad fluctuantes ha revitalizado los campos clásicos de la física como los fluidos (ahora generalizados a medios estructurados y no newtonianos ) y la elasticidad (membranas, filamentos , etc.) . y las redes anisotrópicas son todas importantes y tienen aspectos comunes).
Históricamente, los problemas considerados en los primeros días de la ciencia de la materia blanda eran los relacionados con las ciencias biológicas. Como tal, una parte importante de la investigación de la materia blanda condensada es la biofísica con un objetivo principal de la disciplina que es la reducción del campo de la biología celular a los conceptos de la física de la materia blanda.
Relacionado
Ver también
Referencias
- I. Hamley, Introducción a la materia blanda (2ª edición), J. Wiley, Chichester (2000).
- RAL Jones, Materia Condensada Suave , Oxford University Press, Oxford (2002).
- TA Witten (con PA Pincus), Fluidos estructurados: polímeros, coloides, tensioactivos , Oxford (2004).
- M. Kleman y OD Lavrentovich, Soft Matter Physics: An Introduction , Springer (2003).
- M. Mitov, Materia sensible: espumas, geles, cristales líquidos y otros milagros , Harvard University Press (2012).
- JN Israelachvili, Fuerzas intermoleculares y de superficie , Academic Press (2010).
- AV Zvelindovsky (editor), Materia blanda nanoestructurada - Experimento, teoría, simulación y perspectivas , Springer / Dordrecht (2007), ISBN 978-1-4020-6329-9 .
- M. Daoud, CE Williams (editores), Soft Matter Physics , Springer Verlag, Berlín (1999).
- Gerald H. Ristow, Formación de patrones en materiales granulares , Springer Tracts in Modern Physics, v. 161. Springer, Berlín (2000). ISBN 3-540-66701-6 .
- de Gennes, Pierre-Gilles, Soft Matter , Conferencia Nobel, 9 de diciembre de 1991
- SA Safran, Termodinámica estadística de superficies, interfaces y membranas , Westview Press (2003)
- RG Larson, "La estructura y reología de los fluidos complejos", Oxford University Press (1999)
- Gang, Oleg, "Materia blanda y biomateriales en la nanoescala: la referencia de WSPC sobre nanomateriales funcionales - Parte I (en 4 volúmenes)" , World Scientific PUblisher (2020)
enlaces externos
Medios relacionados con la materia blanda en Wikimedia Commons
- Conferencia Nobel de Pierre-Gilles de Gennes
- Grupo temático sobre materia blanda de la Sociedad Estadounidense de Física (GSOFT)
- Softbites : un blog dirigido por estudiantes graduados y postdoctorados que hace que la materia blanda sea más accesible a través de publicaciones pequeñas que resumen la investigación actual y clásica de la materia blanda.
- Softmatterworld.org
- Softmatterresources.com
- SklogWiki : una wiki dedicada a líquidos simples, fluidos complejos y materia condensada blanda.
- Wiki de la materia blanda de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard : organiza, revisa y resume los artículos académicos sobre la materia blanda.
- Ingeniería de materia blanda : un grupo dedicado a la ingeniería de materia blanda en la Universidad de Florida
- Página de Google Académico sobre materia blanda