materia blanda

La materia blanda o materia condensada blanda es un tipo de materia que puede deformarse o alterarse estructuralmente por esfuerzos térmicos o mecánicos 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 diversos biomateriales . Estos materiales comparten una característica común importante: los comportamientos físicos predominantes ocurren en una escala de energía comparable a la energía térmica a temperatura ambiente (del orden de kT ), y 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 comprimen sin una fuerza de compresión externa. ^{[ 2 ]}

Pierre-Gilles de Gennes , a quien se ha 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 que se encuentran en la materia blanda, en particular, a los comportamientos de los cristales líquidos y los polímeros . ^{[ 4 ]}

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 fluido mismo (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 posteriormente por Otto Lehmann en 1889. ^{[ 9 ]} El montaje experimental que Lehmann utilizó para investigar los dos puntos de fusión del benzoato de colesterilo todavía se utiliza en la investigación de cristales líquidos hasta aproximadamente 2019. ^{[ 10 ]}

En 1920, Hermann Staudinger , galardonado con el Premio Nobel de Química de 1953 , ^{[ 11 ]} fue el primero en sugerir que los polímeros se forman mediante enlaces covalentes que unen moléculas más pequeñas. ^{[ 12 ]} La idea de una macromolécula era desconocida en aquel entonces, 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 hidrogeles en el campo biomédico fue impulsado 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 poliméricas en entornos acuosos tendrían un impacto significativo en la medicina, y fueron los inventores de la lente de contacto blanda . ^{[ 15 ]}

Estos campos aparentemente separados fueron influenciados y reunidos de manera drástica 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 dicha química. ^{[ 16 ]} Amplió la comprensión de los cambios de fase en cristales líquidos, introdujo la idea de reptación con respecto a la relajación de sistemas poliméricos y logró mapear el comportamiento de los polímeros al del modelo de Ising . ^{[ 16 ] [ 17 ]}

La materia blanda presenta comportamientos interesantes que no pueden predecirse, 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 común a autoorganizarse en estructuras físicas mesoscópicas. El ensamblaje de las estructuras mesoscópicas que forman el material macroscópico está regido por bajas energías, y estas asociaciones de baja energía permiten la deformación térmica y mecánica del material. ^{[ 18 ]} En contraste, 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 a ninguna escala mesoscópica. A diferencia de los materiales duros, donde solo ocurren pequeñas distorsiones por agitación térmica o mecánica, la materia blanda puede experimentar reordenamientos locales de los bloques de construcción microscópicos. ^{[ 19 ]}

Una característica definitoria de la materia blanda es la escala mesoscópica de sus estructuras físicas. Estas estructuras son mucho mayores que la escala microscópica (la disposición de átomos y moléculas ), pero mucho menores que la escala macroscópica (general) del material. Las propiedades e interacciones de estas estructuras mesoscópicas pueden determinar el comportamiento macroscópico del material. ^{[ 20 ]} El gran número de constituyentes que forman estas estructuras mesoscópicas, y los numerosos grados de libertad que esto genera, dan lugar a un desorden general entre las estructuras a gran escala. Este desorden conlleva la pérdida del orden de largo alcance característico de la materia dura. ^{[ 21 ]}

Por ejemplo, los vórtices turbulentos que se forman naturalmente en un líquido en movimiento son mucho más pequeños que la cantidad total de líquido, pero mucho más grandes que sus moléculas individuales. La aparición de estos vórtices controla el comportamiento general del flujo del material. Asimismo, las burbujas que componen una espuma son mesoscópicas, ya que cada una consta de una gran cantidad de moléculas. Sin embargo, la espuma en sí está formada por un gran número 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 una 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 dan como resultado una dinámica lenta de las estructuras mesoscópicas, lo que permite que algunos sistemas permanezcan fuera del equilibrio en estados metaestables . ^{[ 22 ] [ 23 ]} Esta característica puede permitir la recuperación del estado inicial mediante un estímulo externo, lo que se aprovecha con frecuencia 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 puede clasificarse como estático cuando la estructura resultante se debe a un mínimo de energía libre , o dinámico cuando el sistema se encuentra en un estado metaestable. ^{[ 26 ]} El autoensamblaje dinámico puede utilizarse en el diseño funcional de materiales blandos con estos estados metaestables mediante el atrapamiento cinético . ^{[ 18 ] [ 27 ]}

Los materiales blandos suelen presentar respuestas elásticas y viscosas a estímulos externos ^{[ 22 ],} como el flujo inducido por cizallamiento o las transiciones de fase. Sin embargo, los estímulos externos excesivos suelen dar lugar a respuestas no lineales . ^{[ 1 ] [ 28 ]} La materia blanda se deforma considerablemente antes de la propagación de grietas , lo que difiere significativamente de la formulación general de la mecánica de fractura. ^{[ 19 ]} La reología , el estudio de la deformación bajo tensión , se utiliza a menudo para investigar las propiedades macroscópicas de la materia blanda. ^{[ 22 ]}

La materia blanda se compone de una amplia gama de sistemas interrelacionados y puede clasificarse, a grandes rasgos, en ciertas clases. Estas clases no son en absoluto distintas, ya que a menudo existen solapamientos entre dos o más grupos.

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 macroscópicas de los materiales. La reología se utiliza a menudo para investigar los cambios físicos del material bajo tensión. ^{[ 22 ]} Los sistemas biológicos, como la cristalización de proteínas, se investigan frecuentemente mediante cristalografía de rayos X y neutrones , ^{[ 41 ]} mientras que la espectroscopia de resonancia magnética nuclear puede utilizarse para comprender la estructura promedio y la movilidad lipídica de las membranas. ^{[ 40 ]}

Los materiales blandos son importantes en una amplia gama de aplicaciones tecnológicas, y cada material blando suele estar asociado a múltiples disciplinas. Los cristales líquidos, por ejemplo, se descubrieron originalmente en las ciencias biológicas cuando el botánico y químico Friedrich Reinitzer investigaba el colesterol . ^{[ 10 ]} Ahora, sin embargo, los cristales líquidos también se utilizan en 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 que los componen pueden autopropulsarse. ^{[ 48 ]}

Los polímeros han encontrado diversas aplicaciones, desde el caucho natural presente en los guantes de látex hasta el caucho vulcanizado de los neumáticos. Los polímeros abarcan una amplia gama de materia blanda, con aplicaciones en la ciencia de los materiales. Un ejemplo de ello es el hidrogel. Gracias a su capacidad de sufrir adelgazamiento por cizallamiento , los hidrogeles son idóneos para el desarrollo de la impresión 3D . ^{[ 27 ]} Debido a su comportamiento sensible a los estímulos, la impresión 3D de hidrogeles ha encontrado aplicaciones en diversos campos, como la robótica blanda , la ingeniería de tejidos y la electrónica flexible . ^{[ 49 ]} Los polímeros también incluyen moléculas biológicas como las proteínas, donde los conocimientos de la investigación sobre materia blanda se han aplicado para comprender mejor temas como la cristalización de proteínas. ^{[ 41 ]}

La impresión 3D/4D de materiales blandos está evolucionando, centrándose en diversas técnicas de impresión, tipos de materiales y sus amplias aplicaciones en ingeniería y tecnología. Los métodos de impresión clave son la extrusión y la impresión por inyección de tinta, la estereolitografía, la sinterización selectiva por láser, la escritura directa de tinta y la fotopolimerización en cuba. La diversidad de materiales blandos para impresión 3D/4D incluye elastómeros, hidrogeles, polímeros bioinspirados, materiales conductores y flexibles, y materiales biomiméticos basados ​​en inyección de tinta para aplicaciones en ingeniería biomédica, robótica blanda, dispositivos portátiles, textiles, tecnología alimentaria y productos farmacéuticos. Persisten desafíos y limitaciones en la complejidad geométrica del diseño, el costo, la resolución, la compatibilidad de los materiales, la escalabilidad y las cuestiones regulatorias. ^{[ 50 ]}

Las espumas pueden producirse de forma natural, como la espuma de una cerveza , o crearse intencionadamente, como en el caso de los extintores . Las propiedades físicas de las espumas han dado lugar a aplicaciones que pueden basarse en su viscosidad, ^{[ 23 ]} utilizándose las formas más rígidas y autoportantes como aislantes o cojines , y las espumas con 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 . ^{[ 51 ]}

Históricamente, los problemas considerados en los inicios de la ciencia de la materia blanda eran los relacionados con las ciencias biológicas. Por ello, una aplicación importante de la investigación en materia blanda es la biofísica , cuyo principal objetivo es reducir el 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 ]}

• I. Hamley, Introducción a la materia blanda (2ª edición), J. Wiley, Chichester (2000).
• RAL Jones, Materia condensada blanda , Oxford University Press, Oxford (2002).
• TA Witten (con PA Pincus), Fluidos estructurados: polímeros, coloides, tensioactivos , Oxford (2004).
• M. Kleman y OD Lavrentovich, Física de la materia blanda: una introducción , Springer (2003).
• M. Mitov, Materia sensible: espumas, geles, cristales líquidos y otros milagros , Harvard University Press (2012).
• JN Israelachvili, Fuerzas intermoleculares y superficiales , 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), Física de la materia blanda , Springer Verlag, Berlín (1999).
• Gerald H. Ristow, Formación de patrones en materiales granulares , Springer Tracts in Modern Physics, vol. 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 la reología de los fluidos complejos", Oxford University Press (1999)
• Gang, Oleg, "Materia blanda y biomateriales a nanoescala: la referencia de la WSPC sobre nanomateriales funcionales — Parte I (en 4 volúmenes)" , World Scientific Publisher (2020)

Contenido multimedia relacionado con la materia blanda en Wikimedia Commons

• Conferencia Nobel de Pierre-Gilles de Gennes
• Grupo Temático de la Sociedad Estadounidense de Física sobre Materia Blanda (GSOFT)
• Softbites : un blog dirigido por estudiantes de posgrado y postdoctorados que hace que la materia blanda sea más accesible a través de publicaciones breves que resumen la investigación actual y clásica en este campo.
• Softmatterworld.org
• Softmatterresources.com
• SklogWiki : una wiki dedicada a los líquidos simples, los fluidos complejos y la 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 materia blanda