Materia blanda

Materia blanda o materia condensada blanda es un subcampo de la materia condensada que comprende una variedad de sistemas físicos que se deforman o alteran estructuralmente por esfuerzos térmicos o mecánicos de la magnitud de fluctuaciones térmicas. Estos materiales comparten una característica común importante: los comportamientos físicos predominantes ocurren a una escala de energía comparable con la energía térmica a temperatura ambiente (del orden de kT), y la entropía se considera el factor dominante. A estas temperaturas, los aspectos cuánticos generalmente no son importantes. Los materiales blandos incluyen líquidos, coloides, polímeros, espumas, geles, materiales granulares, cristales líquidos, carne y varios biomateriales. Cuando los materiales blandos interactúan favorablemente con las superficies, quedan aplastados sin una fuerza de compresión externa. Pierre-Gilles de Gennes, 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 pueden generalizarse a los casos más complejos que se encuentran en la materia blanda, en particular, al comportamiento de los cristales líquidos y los polímeros.

Historia

La comprensión actual de la materia blanda surgió del trabajo de Albert Einstein sobre el movimiento browniano, entendiendo que una partícula suspendida en un fluido debe tener una energía térmica similar a la del propio fluido (del orden de kT). Este trabajo se basó en investigaciones establecidas sobre sistemas que ahora se considerarían coloides.

Las propiedades ópticas cristalinas de los cristales líquidos y su capacidad para fluir fueron descritas por primera vez por Friedrich Reinitzer en 1888 y posteriormente caracterizadas por Otto Lehmann en 1889. La configuración experimental que Lehmann utilizó para investigar los dos puntos de fusión del benzoato de colesterol aún no se conoce. utilizado en la investigación de cristales líquidos en la actualidad.

En 1920, Hermann Staudinger, ganador del Premio Nobel de Química en 1953, fue la primera persona en sugerir que los polímeros se forman a través de enlaces covalentes que unen moléculas más pequeñas. La idea de una macromolécula era desconocida en ese momento, con el consenso científico de que los altos pesos moleculares registrados de compuestos como el caucho natural se debían más bien a la agregación de partículas.

El uso del hidrogel en el campo biomédico fue iniciado en 1960 por Drahoslav Lím y Otto Wichterle. Juntos, postularon que la estabilidad química, la facilidad de deformación y la permeabilidad de ciertas redes poliméricas en ambientes acuosos tendrían un impacto significativo en la medicina y fueron los inventores de las lentes de contacto blandas.

Estos campos aparentemente separados fueron influenciados dramáticamente y unidos por Pierre-Gilles de Gennes. de Gennes' El trabajo en diferentes formas de materia blanda fue clave para comprender su universalidad, donde las propiedades materiales no se basan en la química de la estructura subyacente, sino más bien en las estructuras mesoscópicas que crea la química subyacente. de Gennes amplió la comprensión de los cambios de fase en los cristales líquidos, introdujo la idea de reptación con respecto a la relajación de los sistemas poliméricos y mapeó con éxito el comportamiento de los polímeros con el del modelo de Ising.

Física distintiva

Comportamientos interesantes surgen de la materia blanda de maneras 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. El ensamblaje de las estructuras de mesoescala que forman el material a macroescala se rige por bajas energías, y estas asociaciones de baja energía permiten la deformación térmica y mecánica del material. Por el contrario, en física de la materia condensada dura 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. A diferencia de los materiales duros, donde sólo se producen pequeñas distorsiones debido a la agitación térmica o mecánica, la materia blanda puede sufrir reordenamientos locales de los bloques de construcción microscópicos.

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. El gran número de constituyentes que forman estas estructuras mesoscópicas y los grandes grados de libertad que esto provoca dan como resultado un desorden general entre las estructuras de gran escala. Este desorden conduce a la pérdida del orden de largo alcance característico de la materia dura. 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 controla el comportamiento de flujo general del material. Además, las burbujas que componen una espuma son mesoscópicas porque individualmente constan de un gran número de moléculas y, sin embargo, la espuma misma consta de un gran número de estas burbujas, y la rigidez mecánica general de la espuma surge de las interacciones combinadas de las burbujas. burbujas.

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 y sufren movimientos brownianos. La facilidad de deformación y la influencia de las interacciones de baja energía dan como resultado regularmente una dinámica lenta de las estructuras mesoscópicas que permite que algunos sistemas permanezcan fuera de equilibrio en estados metaestables. Esta característica puede permitir la recuperación del estado inicial a través de estímulos externos y, a menudo, se explota en la investigación.

El autoensamblaje es una característica inherente de los sistemas de materia blanda. El comportamiento complejo característico y las estructuras jerárquicas surgen espontáneamente a medida que el sistema evoluciona hacia el equilibrio. El autoensamblaje se puede clasificar como estático, donde la estructura resultante se debe a un mínimo de energía libre, o dinámico, que ocurre cuando el sistema queda atrapado en un estado metaestable. El autoensamblaje dinámico se puede utilizar en el diseño funcional de materiales blandos con estos estados metaestables mediante captura cinética.

Los materiales blandos a menudo exhiben respuestas tanto elásticas como viscosas a estímulos externos, como flujo inducido por cizallamiento o transiciones de fase; sin embargo, los estímulos externos excesivos a menudo resultan en respuestas no lineales. La materia blanda se deforma mucho antes de la propagación de la grieta, lo que difiere significativamente de la formulación general de la mecánica de fracturas. La reología, el estudio de la deformación bajo tensión, se utiliza a menudo para investigar las propiedades generales de la materia blanda.

Clases de materia blanda

La materia blanda consta de una amplia gama de sistemas interrelacionados y se puede clasificar en términos generales en ciertas clases. Estas clases no son en modo alguno distintas, ya que a menudo hay superposiciones entre dos o más grupos.

Polímeros

Los polímeros son moléculas grandes compuestas de subunidades repetidas cuyas características se rigen por su entorno y composición. Los polímeros abarcan plásticos sintéticos, fibras y cauchos naturales y proteínas biológicas. La investigación de polímeros encuentra aplicaciones en la nanotecnología y desde la ciencia de materiales y la administración de fármacos hasta la cristalización de proteínas.

Espumas

Las espumas consisten en un líquido o sólido a través del cual se ha dispersado un gas para formar cavidades. Esta estructura imparte una gran relación superficie-volumen al sistema. Las espumas han encontrado aplicaciones en aislamientos y textiles, y están siendo objeto de investigaciones activas en el campo biomédico de la administración de fármacos y la ingeniería de tejidos. Las espumas también se utilizan en la industria automotriz para sellar agua y polvo y reducir el ruido.

Geles

Los geles consisten en armazones de polímeros 3D no solubles en solventes, que están reticulados de manera covalente o física, y que tienen una alta proporción de contenido de solvente. La investigación sobre geles funcionalizantes que son sensibles al estrés mecánico y térmico, así como a la elección de disolventes, ha dado lugar a diversas estructuras con características como la memoria de forma o la capacidad de unir moléculas huésped de forma selectiva y reversible.

Coloides

Los coloides son partículas no solubles suspendidas en un medio, como proteínas en una solución acuosa. La investigación sobre los coloides se centra principalmente en comprender la organización de la materia, siendo las grandes estructuras de los coloides, en relación con las moléculas individuales, lo suficientemente grandes como para poder observarlas fácilmente.

Cristales líquidos

Los cristales líquidos pueden consistir en proteínas, moléculas pequeñas o polímeros, que pueden manipularse para formar un orden cohesivo en una dirección específica. Exhiben un comportamiento similar al de un líquido en el sentido de que pueden fluir, pero pueden obtener una alineación cercana a la del cristal. Una característica de los cristales líquidos es su capacidad para romper espontáneamente la simetría. Los cristales líquidos han encontrado importantes aplicaciones en dispositivos ópticos como las pantallas de cristal líquido (LCD).

Membranas biológicas

Las membranas biológicas consisten en moléculas de fosfolípidos individuales que se han autoensamblado en una estructura bicapa debido a interacciones no covalentes. La baja energía localizada asociada con la formación de la membrana permite la deformación elástica de la estructura a gran escala.

Caracterización experimental

Debido a la importancia de las estructuras de mesoescala en las propiedades generales de la materia blanda, el trabajo experimental se centra principalmente en las propiedades generales de los materiales. La reología se utiliza a menudo para investigar los cambios físicos del material bajo tensión. Los sistemas biológicos, como la cristalización de proteínas, a menudo se investigan mediante cristalografía de rayos X y neutrones, mientras que la espectroscopia de resonancia magnética nuclear se puede utilizar para comprender la estructura promedio y la movilidad de los lípidos de las membranas.

Dispersión

Las técnicas de dispersión, como la dispersión de rayos X de gran ángulo, la dispersión de rayos X de ángulo pequeño, la dispersión de neutrones y la dispersión dinámica de la luz, también se pueden utilizar para materiales al investigar las propiedades promedio de los constituyentes. Estos métodos pueden determinar la distribución del tamaño de las partículas, la forma, la cristalinidad y la difusión de los constituyentes del sistema. Existen limitaciones en la aplicación de técnicas de dispersión a algunos sistemas, ya que pueden ser más adecuadas para muestras isotrópicas y diluidas.

Computacional

A menudo se emplean métodos computacionales para comprender modelos de sistemas de materia blanda, ya que tienen la capacidad de controlar estrictamente la composición y el entorno de las estructuras que se investigan, así como abarcar escalas de longitud desde microscópicas hasta macroscópicas. Sin embargo, los métodos computacionales están limitados por su idoneidad para el sistema y deben validarse periódicamente con resultados experimentales para garantizar la precisión. El uso de la informática en la predicción de las propiedades de la materia blanda también es un campo en crecimiento en la informática gracias a la gran cantidad de datos disponibles sobre los sistemas de materia blanda.

Microscopía

La microscopía óptica se puede utilizar en el estudio de sistemas coloidales; sin embargo, métodos más avanzados como la microscopía electrónica de transmisión (TEM) y la microscopía de fuerza atómica (AFM) se utilizan a menudo para caracterizar formas de materia blanda debido a su aplicabilidad para mapear sistemas. en la nanoescala. Estas técnicas de imaginación no son universalmente apropiadas para todas las clases de materia blanda y algunos sistemas pueden ser más adecuados para un análisis que para otro. Por ejemplo, existen aplicaciones limitadas para imaginar hidrogeles con TEM debido a los procesos necesarios para obtener imágenes; sin embargo, la microscopía de fluorescencia se puede aplicar fácilmente. Los cristales líquidos a menudo se analizan mediante microscopía de luz polarizada para determinar el orden del material en diversas condiciones, como temperatura o campo eléctrico.

Aplicaciones

Los materiales blandos son importantes en una amplia gama de aplicaciones tecnológicas y cada material blando a menudo puede asociarse con múltiples disciplinas. Los cristales líquidos, por ejemplo, se descubrieron originalmente en las ciencias biológicas cuando el botánico y químico Friedrich Reinitzer investigaba el colesterol. Ahora, sin embargo, los cristales líquidos también han encontrado aplicaciones como pantallas de cristal líquido, filtros sintonizables de cristal líquido y termómetros de cristal líquido. Los cristales líquidos activos son otro ejemplo de materiales blandos, donde los elementos constituyentes de los cristales líquidos pueden autopropulsarse.

Los polímeros están omnipresentes en la materia blanda y han encontrado diversas aplicaciones, desde el caucho natural que se encuentra en los guantes de látex hasta el caucho vulcanizado que se encuentra en los neumáticos. Los polímeros abarcan una amplia gama de materia blanda con aplicaciones en la ciencia de materiales, un ejemplo de esto es el hidrogel. Con la capacidad de sufrir adelgazamiento por cizallamiento, los hidrogeles son muy adecuados para el desarrollo de la impresión 3D. Debido a su comportamiento sensible a los estímulos, la impresión 3D de hidrogeles ha encontrado aplicaciones en una amplia gama de campos, como la robótica blanda, la ingeniería de tejidos y la electrónica flexible. Los polímeros también abarcan moléculas biológicas como las proteínas, donde se han aplicado conocimientos de la investigación sobre materia blanda para comprender mejor temas como la cristalización de proteínas.

La espuma puede aparecer de forma natural, como la espuma de una cerveza, o crearse con un propósito, como los extintores de incendios. La gama de propiedades físicas disponibles para las espumas ha dado lugar a aplicaciones que pueden basarse en su viscosidad. Se utilizan formas más rígidas y autoportantes de espumas como aislamiento o cojines, y espumas que exhiben la capacidad de fluir se utilizan en la industria cosmética como champús o maquillaje. Las espumas también han encontrado aplicaciones biomédicas en la ingeniería de tejidos como andamios y biosensores.

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 aplicación importante de la investigación de la materia blanda es la biofísica, siendo el principal objetivo de la disciplina la reducción del campo de la biología celular a los conceptos de la física de la materia blanda. Las aplicaciones de las características de la materia blanda se utilizan para comprender temas biológicamente relevantes, como la movilidad de las membranas y la reología de la sangre.