Materia blanda
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Materia blanda
Científicos

La materia blanda o materia blanda condensada es un tipo de materia que puede deformarse o alterarse estructuralmente por estrés térmico o mecánico que es de magnitud similar a las fluctuaciones térmicas .

La ciencia de la materia blanda es un subcampo de la física de la materia condensada . Los materiales blandos incluyen líquidos , coloides , polímeros , espumas , geles , materiales granulares , cristales líquidos , carne y una serie de biomateriales . 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 (del orden de kT ), y que la entropía se considera el factor dominante. [1] A estas temperaturas, los aspectos cuánticos generalmente no son importantes. Cuando los materiales blandos interactúan favorablemente con las superficies, se aplastan sin una fuerza de compresión externa. [2]

Pierre-Gilles de Gennes , quien ha sido llamado el "padre fundador de la materia blanda", [3] recibió el Premio Nobel de Física en 1991 por descubrir que los métodos desarrollados para estudiar los fenómenos de orden en sistemas simples pueden generalizarse a los casos más complejos encontrados en la materia blanda, en particular, a los comportamientos de los cristales líquidos y polímeros . [4]

Historia

La comprensión actual de la materia blanda surgió del trabajo de Albert Einstein sobre el movimiento browniano [5] [ 6], 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. [7]

Las propiedades ópticas cristalinas de los cristales líquidos y su capacidad de fluir fueron descritas por primera vez por Friedrich Reinitzer en 1888, [8] y caracterizadas con más detalle por Otto Lehmann en 1889. [9] La configuración experimental que Lehmann utilizó para investigar los dos puntos de fusión del benzoato de colesterilo todavía se utiliza en la investigación de cristales líquidos aproximadamente en 2019. [10]

En 1920, Hermann Staudinger , ganador del Premio Nobel de Química en 1953 , [11] fue la primera persona en sugerir que los polímeros se forman a través de enlaces covalentes que unen moléculas más pequeñas. [12] La idea de una macromolécula era desconocida en ese momento, y el consenso científico era que los altos pesos moleculares registrados de compuestos como el caucho natural se debían en cambio a la agregación de partículas . [13]

El uso de hidrogel en el campo biomédico fue iniciado en 1960 por Drahoslav Lím y Otto Wichterle . [14] Juntos, postularon que la estabilidad química, la facilidad de deformación y la permeabilidad de ciertas redes de polímeros en entornos acuosos tendrían un impacto significativo en la medicina, y fueron los inventores de las lentes de contacto blandas . [15]

Estos campos aparentemente separados fueron influenciados y reunidos dramáticamente por Pierre-Gilles de Gennes . El trabajo de de Gennes en diferentes formas de materia blanda fue clave para comprender su universalidad , donde las propiedades del material no se basan en la química de la estructura subyacente , sino más bien en las estructuras mesoscópicas que crea la química subyacente. [16] Amplió la comprensión de los cambios de fase en cristales líquidos, introdujo la idea de reptación con respecto a la relajación de los sistemas poliméricos y mapeó con éxito el comportamiento del polímero al del modelo de Ising . [16] [17]

Física distintiva

El autoensamblaje de fosfolípidos individuales en coloides (liposomas y micelas) o una membrana (lámina bicapa).

De la materia blanda surgen comportamientos interesantes de maneras que no se pueden predecir, o que 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 de macroescala está regido por energías bajas, y estas asociaciones de baja energía permiten la deformación térmica y mecánica del material. [18] En cambio, en la 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 solo ocurren pequeñas distorsiones por agitación térmica o mecánica, la materia blanda puede sufrir reordenamientos locales de los bloques de construcción microscópicos. [19]

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. [20] La gran cantidad de constituyentes que forman estas estructuras mesoscópicas, y los grandes grados de libertad que esto causa, dan como resultado un desorden general entre las estructuras de gran escala. Este desorden conduce a la pérdida del orden de largo alcance que es característico de la materia dura. [21]

Por ejemplo, los vórtices turbulentos que se forman naturalmente en el interior 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 general del flujo del material. Además, las burbujas que componen una espuma son mesoscópicas porque cada una de ellas está formada por una gran cantidad de moléculas, y, sin embargo, la espuma misma está formada por una gran cantidad de estas burbujas, y la rigidez mecánica general de la espuma surge de las interacciones combinadas de las burbujas.

Las energías de enlace típicas en las 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 experimentan movimiento browniano . [20] La facilidad de deformación y la influencia de las interacciones de baja energía resultan regularmente en una dinámica lenta de las estructuras mesoscópicas que permite que algunos sistemas permanezcan fuera de equilibrio en estados metaestables . [22] [23] Esta característica puede permitir la recuperación del estado inicial a través de un estímulo externo, lo que a menudo se explota en la investigación. [24] [25]

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 un sistema evoluciona hacia el equilibrio. [20] El autoensamblaje se puede clasificar como estático cuando la estructura resultante se debe a un mínimo de energía libre , o dinámico cuando el sistema está atrapado en un estado metaestable. [26] El autoensamblaje dinámico se puede utilizar en el diseño funcional de materiales blandos con estos estados metaestables a través del atrapamiento cinético . [18] [27]

Los materiales blandos a menudo presentan respuestas tanto elásticas como viscosas a estímulos externos [22] como el flujo inducido por cizallamiento o las transiciones de fase. Sin embargo, los estímulos externos excesivos a menudo dan como resultado respuestas no lineales . [1] [28] La materia blanda se deforma mucho antes de la propagación de grietas , lo que difiere significativamente de la formulación general de mecánica de fracturas. [19] La reología , el estudio de la deformación bajo tensión , se utiliza a menudo para investigar las propiedades en masa de la materia blanda. [22]

Clases de materia blanda

Una porción de la doble hélice del ADN , un ejemplo de biopolímero .
Complejo huésped-anfitrión de oligómero de polietilenglicol unido a una molécula de α-ciclodextrina ; un armazón común utilizado en la formación de geles. Los átomos están coloreados de tal manera que el rojo representa el oxígeno, el cian representa el carbono y el blanco representa el hidrógeno.
Representación caricaturesca del orden molecular de los estados cristal, cristal líquido y líquido.

La materia blanda está formada por una amplia gama de sistemas interrelacionados y se puede clasificar en categorías generales. Estas clases no son en absoluto distintas, ya que a menudo hay superposiciones entre dos o más grupos.

Polímeros

Los polímeros son moléculas grandes compuestas de subunidades repetidas cuyas características están determinadas por su entorno y composición. Los polímeros abarcan plásticos sintéticos, fibras y cauchos naturales y proteínas biológicas. La investigación sobre polímeros encuentra aplicaciones en la nanotecnología , [29] [30] desde la ciencia de los materiales y la administración de fármacos hasta la cristalización de proteínas . [24] [31]

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. [23] [32] Las espumas han encontrado aplicaciones en aislamiento y textiles , [32] y están siendo objeto de investigación activa en el campo biomédico de la administración de fármacos y la ingeniería de tejidos . [31] Las espumas también se utilizan en automoción para el sellado del agua y el polvo y la reducción del ruido.

Geles

Los geles consisten en estructuras poliméricas tridimensionales no solubles en disolventes, que están reticuladas covalente o físicamente , y que tienen una alta relación disolvente/contenido. [33] [34] La investigación sobre geles funcionalizantes que son sensibles al estrés mecánico y térmico, así como a la elección del disolvente, ha dado lugar a diversas estructuras con características como memoria de forma , [35] o la capacidad de unirse a moléculas huésped de forma selectiva y reversible. [34]

Coloides

Los coloides son partículas no solubles suspendidas en un medio, como las proteínas en una solución acuosa. [36] La investigación sobre los coloides se centra principalmente en comprender la organización de la materia, con las grandes estructuras de los coloides, en relación con las moléculas individuales, lo suficientemente grandes como para que puedan observarse fácilmente. [37]

Cristales líquidos

Los cristales líquidos pueden estar compuestos de proteínas, moléculas pequeñas o polímeros, que pueden manipularse para formar un orden cohesivo en una dirección específica. [38] Presentan un comportamiento similar al de los líquidos, ya que pueden fluir , pero pueden obtener una alineación cercana al cristal. Una característica de los cristales líquidos es su capacidad de romper espontáneamente la simetría . [39] Los cristales líquidos han encontrado aplicaciones significativas en dispositivos ópticos como las pantallas de cristal líquido (LCD).

Membranas biológicas

Las membranas biológicas están formadas por moléculas de fosfolípidos individuales que se han autoensamblado en una estructura de bicapa debido a interacciones no covalentes . La energía localizada y baja asociada con la formación de la membrana permite la deformación elástica de la estructura a gran escala. [40]

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 en masa de los materiales. La reología se utiliza a menudo para investigar los cambios físicos del material bajo estrés. [22] Los sistemas biológicos, como la cristalización de proteínas, a menudo se investigan a través de la cristalografía de rayos X y neutrones , [41] mientras que la espectroscopia de resonancia magnética nuclear se puede utilizar para comprender la estructura promedio y la movilidad lipídica de las membranas. [40]

Dispersión

Las técnicas de dispersión , como la dispersión de rayos X de ángulo amplio , la dispersión de rayos X de ángulo pequeño , la dispersión de neutrones y la dispersión de luz dinámica también se pueden utilizar para materiales cuando se investigan las propiedades promedio de los constituyentes. Estos métodos pueden determinar la distribución del tamaño de partícula , la forma, la cristalinidad y la difusión de los constituyentes en el sistema. [42] [43] Existen limitaciones en la aplicación de técnicas de dispersión a algunos sistemas, ya que pueden ser más adecuadas para muestras isotrópicas y diluidas. [42]

Computacional

Los métodos computacionales se emplean a menudo para modelar y comprender los 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 de abarcar escalas de longitud desde microscópicas hasta macroscópicas. [21] Sin embargo, los métodos computacionales están limitados por su idoneidad para el sistema y deben validarse periódicamente frente a resultados experimentales para garantizar su precisión. [21] El uso de la informática en la predicción de las propiedades de la materia blanda también es un campo en crecimiento en la ciencia informática gracias a la gran cantidad de datos disponibles para los sistemas de materia blanda. [44]

Microscopía

La microscopía óptica se puede utilizar en el estudio de sistemas coloidales, pero los 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 a escala nanométrica. [45] [46] Estas técnicas de obtención de imágenes no son universalmente apropiadas para todas las clases de materia blanda y algunos sistemas pueden ser más adecuados para un tipo de análisis que otro. Por ejemplo, existen aplicaciones limitadas en la obtención de imágenes de hidrogeles con TEM debido a los procesos necesarios para la obtención de imágenes. Sin embargo, la microscopía de fluorescencia se puede aplicar fácilmente. [42] Los cristales líquidos a menudo se sondean utilizando microscopía de luz polarizada para determinar el orden del material en diversas condiciones, como la temperatura o el campo eléctrico . [47]

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 estaba investigando los colesteroles . [10] Sin embargo, ahora los cristales líquidos también han encontrado aplicaciones como pantallas de cristal líquido , filtros ajustables 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. [48]

Los polímeros 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 materias blandas, con aplicaciones en la ciencia de los 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 . [27] Debido a su comportamiento de respuesta a 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 . [49] Los polímeros también abarcan moléculas biológicas como las proteínas, donde los conocimientos de investigación de la materia blanda se han aplicado para comprender mejor temas como la cristalización de proteínas. [41]

Las espumas pueden producirse de forma natural, como la espuma de una cerveza , o crearse de forma intencionada, como la de los extintores de incendios . Las propiedades físicas de las espumas han dado lugar a aplicaciones que pueden basarse en su viscosidad, [23] utilizándose formas de espumas más rígidas y autoportantes como aislantes o cojines , y espumas que presentan la capacidad de fluir en la industria cosmética, como champús o maquillaje. [23] Las espumas también han encontrado aplicaciones biomédicas en la ingeniería de tejidos como andamios y biosensores . [50]

Históricamente, los problemas considerados en los primeros días de la ciencia de la materia blanda eran los pertenecientes a las ciencias biológicas. Como tal, una aplicación importante de la investigación de la materia blanda es la biofísica , siendo un objetivo principal de la disciplina la reducción del campo de la biología celular a los conceptos de la física de la materia blanda. [20] Las aplicaciones de las características de la materia blanda se utilizan para comprender temas biológicamente relevantes como la movilidad de la membrana, [40] así como la reología de la sangre . [36]

Véase también

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Medios relacionados con 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 de posgrado y posdoctorados que hace que los temas blandos sean más accesibles a través de publicaciones breves que resumen investigaciones actuales y clásicas sobre temas blandos.
  • Softmatterworld.org
  • Recursos de Softmatter.com
  • SklogWiki - una wiki dedicada a líquidos simples, fluidos complejos y materia condensada blanda.
  • Wiki de materia blanda de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard: organiza, revisa y resume artículos académicos sobre materia blanda.
  • Ingeniería de Materia Blanda: un grupo dedicado a la ingeniería de materia blanda en la Universidad de Florida
  • Página de Google Scholar sobre la materia blanda
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