پرش به محتوا

فیزیک ماده چگال نرم

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
فیزیک ماده چگال نرم

فیزیک مادهٔ نرم یا فیزیک ماده چگال نرم زیرشاخه‌ای از فیزیک ماده چگال است که شامل موادی می‌شود که به راحتی تحت تنش‌ها یا افت و خیزهای گرمایی تغییر شکل می‌دهند. این مواد شامل مایعات، کلوئیدها، بس‌پارها، کف، مواد ژله‌ای، مواد دانه‌ای و تعدادی از مواد زیستی هستند.

این مواد یک ویژگی مشترک مهم دارند و آن این است که رفتارهای فیزیکی غالب در مقیاس انرژی به گونه ای رخ می‌دهند که قابل مقایسه با انرژی حرارتی دمای اتاق ( در حد kT) باشند و انتروپی عامل اصلی در نظر گرفته می‌شود.[۱][۲][۳][۴]در این دماها جنبه های کوانتومی عموما بی اهمیت هستند. هنگامی که مواد نرم به طور مطلوب با سطوح تعامل برقرار می‌کنند، بدون نیروی فشار خارجی له می‌شوند.[۵]

پیر-ژیل دو ژن که «بنیان‌گذار فیزیک ماده نرم» خوانده می‌شود[۶]، جایزه نوبل فیزیک سال ۱۹۹۱ را ب ه خاطر کشف این موضوع گرفت که پارامتر نظم برای سیستم‌های سادهٔ ترمودینامیکی را می‌توان برای حالت‌های پیچیده‌تر در مواد نرم (به ویژه در بررسی رفتار کریستال‌های مایع و بس‌پارها) به کار برد.[۷]

تاریخچه

[ویرایش]

درک کنونی از ماده نرم از کار آلبرت انیشتین در مورد حرکت براونی شکل گرفت.[۸][۹]با درک اینکه ذره ای معلق در یک سیال باید انرژی حرارتی مشابهی با خود سیال داشته باشد(در حد kT). این کار بر اساس تحقیقات تثبیت شده در مورد سیستم‌هایی که اکنون کلویید در نظر گرفته می‌شوند، ساخته شده است.[۱۰]

خواص نوری کریستالی کریستال های مایع و توانایی آنها در جاری شدن برای اولین بار توسط فردریک رینیتزر در سال 1888[۱۱] توصیف شد وتوسط اتو لمان در سال 1889 عمیق‌تر ویژگی های آن مشخص شد.[۱۲] تنظیمات تجربی که اتو لمان برای بررسی دو نقطه ذوب کلستریل بنزوات استفاده کرد،تا حدود سال 2019 هنوز در تحقیقات کریستال های مایع استفاده می‌شد.[۱۳]

در سال 1920، هرمان اشتاودینگر، دریافت کننده جایزه نوبل شیمی در سال 1953،[۱۴] اولین کسی بود که پیشنهاد کرد که پلیمرها از طریق پیوندهای کووالانسی تشکیل می‌شوند که مولکول‌های کوچکتر را به هم متصل می‌کند.[۱۵] ایده ماکرومولکول‌ها در آن زمان ناشناخته بود و با اجماع علمی تصور این بود که وزن مولکولی بالای ثبت شده ترکیباتی مانند لاستیک طبیعی به دلیل تجمع ذرات است.[۱۶]

استفاده از هیدروژل در زمینه‌ی زیست پزشکی در سال 1960 توسط Drahoslav Lím و Otto Wichterle آغاز شد.[۱۷] آن‌ها با هم فرض کردند که پایداری شیمیایی، سهولت تغییر شکل و نفوذپذیری شبکه‌های پلیمری خاص در محیط‌‌های آبی تاثیر قابل توجهی بر پزشکی خواهد داشت. آن دو مخترعان لنزهای تماسی نرم بودند.[۱۸]

این شاخه‌های به ظاهر مجزا به‌طور چشمگیری تحت تاثیر پیر-ژیل-دو-ژن قرار گرفته و گرد هم آمدند.کار دو-ژن در اشکال مختلف ماده نرم کلیدی برای درک جهانی بودن آن بود،جایی که خواص مواد بیشتر بر اساس ساختارهای مزوسکوپی که شیمی زیربنایی ایجاد می‌کند، می‌باشد.[۱۹] او درک تغییرات فاز در کریستال‌های مایع را گسترش داد؛ ایده reptation را با توجه به آرامش سیستم‌های پلیمری معرفی کرد و رفتار پلیمری را با موفقیت ترسیم کرد.[۱۹][۲۰]

فیزیک متمایز

[ویرایش]

رفتارهای جالب از ماده نرم به روش‌هایی که نمی‌توان پیش‌بینی کرد، یا پیش‌بینی آن دشوار است‌، مستقیما از اجزای اتمی یا مولکولی آن ناشی می‌شود.موادی که ماده نرم نامیده می‌شوند این ویژگی را به دلیل تمایل مشترک این مواد به خودسازماندهی در ساختارهای فیزیکی مزوسکوپی نشان می‌دهند. مونتاژ ساختارهای مقیاس متوسط که مواد ماکرو مقیاس را تشکیل می‌دهند توسط انرژی‌های کم کنترل می‌شوند و این تداعی‌های انرژی کم امکان تغییر شکل حرارتی و مکانیکی مواد را فراهم می‌کنند.[۲۱] در مقابل در فیزیک ماده چگال سخت، اغلب می توان رفتار کلی یک ماده را پیش بینی کرد، زیرا مولکول‌ها در یک شبکه کریستالی سازماندهی شده‌اند و هیچ تغییری در الگوی آن در مقیاس مزوسکوپی وجود ندارد. برخلاف مواد سخت، که در آن تغییرات کوچک تنها ناشی از هم‌زدن حرارتی یا مکانیکی رخ می‌دهد، ماده نرم می‌تواند تحت بازآرایی موضعی بلوک‌های ساختمانی مسکروسکوپی قرار گیرد.[۲۲][۲۳][۲۴]

مشخصه بارز ماده نرم، مقیاس مزوسکوپی ساختارهای فیزیکی است. این ساختارها بسیار بزرگتر از مقیاس میکروسکوپی مواد هستند. خواص و برهمکنش‌های این ساختارهای مزوسکوپی ممکن است رفتار ماکروسکوپی ماده را تعیین کند.[۲۵][۲۶] تعداد زیادی از اجزای تشکیل‌دهنده این ساختارهای مزوسکوپی و درجات آزادی زیاد که این امر ایجاد می‌کند، منجر به یک اختلال عمومی بین ساختارهای بزرگ میشود.این اختلال منجر به از بین رفتن نظرم دوربردی می‌شود که مشخصه ماده‌ی سخت است.[۲۷]

برای مثال، گرداب‌های آشفته‌ای که به‌طور طبیعی در یک مایع جاری رخ می‌دهند، بسیار کوچک‌تر از مقدار کلی مایع و در عین حال بسیار بزرگ‌تر از مولکول‌های منفرد آن هستند، و ظهور این گرداب‌ها، رفتار جریان کلی ماده را کنترل می‌کند. همچنین، حباب هایی که یک فوم را تشکیل می دهند، مزوسکوپیک هستند، زیرا آنها از تعداد زیادی مولکول تشکیل شده اند، و با این حال، خود فوم از تعداد زیادی از این حباب ها تشکیل شده است و سفتی مکانیکی کلی فوم از برهمکنش های ترکیبی حباب‌ها ناشی می شود.

مواد نرم اغلب واکنش های کشسانی و چسبناکی را به محرک های خارجی نشان می دهند.[۲۸] مانند جریان ناشی از برش یا انتقال فاز. با این حال، محرک‌های خارجی بیش از حد اغلب منجر به پاسخ‌های غیرخطی می شود.[۱][۲][۳][۴][۲۹] ماده نرم قبل از انتشار ترک تغییر شکل زیادی می‌یابد، که به طور قابل توجهی با فرمول مکانیک شکست عمومی تفاوت دارد.[۲۲][۲۳][۲۴] رئولوژی، علم مطالعه تغییر شکل تحت تنش، اغلب برای بررسی خواص توده ای ماده نرم استفاده می شود.[۲۸]

طبقات ماده نرم

[ویرایش]

ماده نرم از طیف متنوعی از سیستم‌های مرتبط به هم تشکیل شده است و می‌توان آن‌ها را به طور کلی در کلاس‌های خاصی دسته‌بندی کرد. این طبقات به‌هیچ‌وجه متمایز نیستند،زیرا اغلب بین دو یا چند گروه همپوشانی وجود دارد.

پلیمرها

[ویرایش]

پلیمرها مولکول‌های بزرگی هستند که از زیرواحدهای تکرارشونده تشکیل شده‌اند که ویژگی‌های آن‌ها توسط محیط و ترکیب آن‌ها تعیین می‌شود. پلیمرها شامل پلاستیک‌های مصنوعی، الیاف و لاستیک‌های طبیعی و پروتئین‌های بیولوژیکی هستند. تحقیقات بر روی پلیمرها نشان‌دهنده‌ی کاربرد آن‌ها در فناوری نانو است؛[۳۰][۳۱] از علم مواد و دارورسانی تا کریستالیزاسیون پروتئین‌ها.[۳۲][۳۳]

فوم‌ها

[ویرایش]
مجموعه میزبان-میهمان از الیگومر پلی اتیلن گلیکول که در یک مولکول آلفا سیکلودکسترین محدود شده است. یک داربست معمولی که در تشکیل ژل استفاده می شود. رنگ اتم ها به گونه ای است که قرمز نشان دهنده اکسیژن، فیروزه ای نشان دهنده کربن و سفید نشان دهنده هیدروژن است.
نمایش شماتیک از ساختار کریستال، کریستال مایع و حالت مایع

فوم‌ها از مایع یا جامدی تشکیل شده‌اند که از طریق آن گازی پراکنده شده و حفره‌هایی ایجاد می‌کند. این ساختار نسبت سطح به حجم بزرگی را به سیستم می‌دهد. فوم‌ها کاربردهایی در عایق‌ها و منسوجات پیدا کرده‌اند، و درحال انجام تحقیقات فعال در زمینه بیوپزشکی، دارورسانی و مهندسی بافت هستند. فوم‌ها همچنین در خودروها برای آب‌بندی آب و گرد و غبار و کاهش صدا استفاده می‌شوند.

ژل‌ها
[ویرایش]

ژل‌ها از داربست‌های پلیمری سه‌بعدی غیرمحلول در حلال، که به صورت کووالانسی یا فیزیکی به هم پیوسته هستند، تشکیل شده‌اند که نسبت حلال/محلول بالایی دارند.

کلوئیدها
[ویرایش]

کلوئیدها ذرات محلول معلق در یک محیط، مانند پروتئین‌ها در یک محلول آبی هستند.[۳۴]

کریستال‌های مایع
[ویرایش]

کریستال‌های مایع یا بلورهای مایع (LC) شامل پروتئین‌ها، مولکول‌های کوچک و یا پلیمرهایی هستند که می‌توانند برای ایجاد نظم منسجم در جهت خاصی دستکاری شوند.[۳۵] آن‌ها از لحاظ توانایی جاری شدن رفتاری مشابه مایع از خود نشان می‌دهند و با این حال می‌توانند تا سر حد کریستالی شدن نظم پیداکنند.یکی از ویژگی‌های کریستال‌های مایع توانایی آن‌ها در شکستن خود‌به‌خودی تقارن است.[۳۶] کریستال‌های مایع کاربردهای قابل‌توجهی در دستگاه‌های نوری مانند نمایشگرهای کریستال مایع (LCD) یافته اند.

غشاهای بیولوژیکی
[ویرایش]

غشاهای بیولوژیکی شامل مولکول‌های فسفولیپیدی منفردی هستند که به دلیل برهمکنش‌های غیرکووالانسی در یک ساختار دولایه به صورت مستقل شکل می‌گیرند. انرژی موضعی و ضعیف مرتبط با تشکیل غشاء امکان تغییر شکل الاستیک ساختار در مقیاس بزرگ را فراهم می‌کند.[۳۷]

جستارهای وابسته

[ویرایش]

منابع

[ویرایش]
  1. ↑ ۱٫۰ ۱٫۱ Kleman, Maurice; Lavrentovich, Oleg D., eds. (2003). "Soft Matter Physics: An Introduction". doi:10.1007/b97416. {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)
  2. ↑ ۲٫۰ ۲٫۱ Lee, Ji Hyun; Rizvi, Asim; Lin, Fay Y; Min, James K; Hartaigh, Bríain ó; Han, Donghee (2016). "Fractional Flow Reserve Measurement by Computed Tomography: An Alternative to the Stress Test". Interventional Cardiology Review. 11 (2): 105. doi:10.15420/icr.2016:1:2. ISSN 1756-1477.
  3. ↑ ۳٫۰ ۳٫۱ doi:10.1007/b97416
  4. ↑ ۴٫۰ ۴٫۱ ISBN 978-0-387-95267-3
  5. ↑ Carroll, Gregory T.; Jongejan, Mahthild G. M.; Pijper, Dirk; Feringa, Ben L. (2010). "Spontaneous generation and patterning of chiral polymeric surface toroids". Chemical Science (به انگلیسی). 1 (4): 469. doi:10.1039/c0sc00159g. ISSN 2041-6520.
  6. ↑ "Soft matter: more than words". Soft Matter (به انگلیسی). 1 (1): 16. 2005. doi:10.1039/b419223k. ISSN 1744-683X.
  7. ↑ «The Nobel Prize in Physics 1991». NobelPrize.org (به انگلیسی). دریافت‌شده در ۲۰۲۵-۰۱-۰۳.
  8. ↑ Einstein, A. (1905-01). "Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen". Annalen der Physik (به انگلیسی). 322 (8): 549–560. doi:10.1002/andp.19053220806. ISSN 0003-3804. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
  9. ↑ Mezzenga, Raffaele (2021-12-22). "Grand Challenges in Soft Matter". Frontiers in Soft Matter. 1. doi:10.3389/frsfm.2021.811842. ISSN 2813-0499.
  10. ↑ McLeish, Tom (2020). Soft Matter: a Very Short Introduction. Oxford, United Kingdom: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-880713-1. OCLC 1202271044
  11. ↑ Reinitzer, Friedrich (1888-12). "Beiträge zur Kenntniss des Cholesterins". Monatshefte für Chemie - Chemical Monthly (به آلمانی). 9 (1): 421–441. doi:10.1007/BF01516710. ISSN 0026-9247. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
  12. ↑ Lehmann, O. (1889-07-01). "Über fliessende Krystalle". Zeitschrift für Physikalische Chemie (به انگلیسی). 4U (1): 462–472. doi:10.1515/zpch-1889-0434. ISSN 2196-7156.
  13. ↑ DiLisi, Gregory A (2019). An Introduction to Liquid Crystals. IOP Publishing. doi:10.1088/2053-2571/ab2a6fch1. ISBN 978-1-64327-684-7. S2CID 239330818.
  14. ↑ "Staudinger, Professor Hermann, (23 March 1881–8 Sept. 1965), Drphil; German chemist; Nobel Prize for Chemistry, 1953". Who Was Who. Oxford University Press. 2007-12-01.
  15. ↑ Staudinger, H. (1920-06-12). "Über Polymerisation". Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft (A and B Series) (به انگلیسی). 53 (6): 1073–1085. doi:10.1002/cber.19200530627. ISSN 0365-9488.
  16. ↑ Sophie Rovner, ACS staff (2022-12-16). "30 years of chemistry landmarks". Chemical & Engineering News: 42–43. doi:10.47287/cen-10044-acsnews. ISSN 1520-605X.
  17. ↑ Hydrogels : recent advances. Vijay Kumar Thakur, Manju Kumari Thakur. Singapore. 2018. ISBN 978-981-10-6077-9. OCLC 1050163199.
  18. ↑ Wichterle, O.; LíM, D. (1960-01). "Hydrophilic Gels for Biological Use". Nature (به انگلیسی). 185 (4706): 117–118. doi:10.1038/185117a0. ISSN 0028-0836. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
  19. ↑ ۱۹٫۰ ۱۹٫۱ Joanny, Jean-François; Cates, Michael (2019-06). "Pierre-Gilles de Gennes. 24 October 1932—18 May 2007". Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society (به انگلیسی). 66: 143–158. doi:10.1098/rsbm.2018.0033. ISSN 0080-4606. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
  20. ↑ de Gennes, P.G. (1972-02). "Exponents for the excluded volume problem as derived by the Wilson method". Physics Letters A (به انگلیسی). 38 (5): 339–340. doi:10.1016/0375-9601(72)90149-1. {{cite journal}}: Check date values in: |date= (help)
  21. ↑ van der Gucht, Jasper (2018-08-22). "Grand Challenges in Soft Matter Physics". Frontiers in Physics. 6. doi:10.3389/fphy.2018.00087. ISSN 2296-424X.
  22. ↑ ۲۲٫۰ ۲۲٫۱ Spagnoli, A.; Brighenti, R.; Cosma, M.P.; Terzano, M. (2022), "Fracture in soft elastic materials: Continuum description, molecular aspects and applications"
  23. ↑ ۲۳٫۰ ۲۳٫۱ Advances in Applied Mechanics, vol. 55, Elsevier, pp. 255–307, doi:10.1016/bs.aams.2021.07.001
  24. ↑ ۲۴٫۰ ۲۴٫۱ ISBN 978-0-12-824617-7, retrieved 2023-02-13
  25. ↑ Jones, Richard A. L. (2002). Soft condensed matter
  26. ↑ Oxford: Oxford University Press. ISBN 0-19-850590-6. OCLC 48753186
  27. ↑ Nagel, Sidney R. (2017-04-12). "Experimental soft-matter science". Reviews of Modern Physics (به انگلیسی). 89 (2). doi:10.1103/RevModPhys.89.025002. ISSN 0034-6861.
  28. ↑ ۲۸٫۰ ۲۸٫۱ Chen, Daniel T.N.; Wen, Qi; Janmey, Paul A.; Crocker, John C.; Yodh, Arjun G. (2010-08-10). "Rheology of Soft Materials". Annual Review of Condensed Matter Physics (به انگلیسی). 1 (1): 301–322. doi:10.1146/annurev-conmatphys-070909-104120. ISSN 1947-5454.
  29. ↑ Cipelletti, Luca; Martens, Kirsten; Ramos, Laurence (2020). "Microscopic precursors of failure in soft matter". Soft Matter (به انگلیسی). 16 (1): 82–93. doi:10.1039/C9SM01730E. ISSN 1744-683X.
  30. ↑ Mashaghi, Samaneh; Jadidi, Tayebeh; Koenderink, Gijsje; Mashaghi, Alireza (2013-02-21). "Lipid Nanotechnology". International Journal of Molecular Sciences (به انگلیسی). 14 (2): 4242–4282. doi:10.3390/ijms14024242. ISSN 1422-0067.
  31. ↑ Hamley, I. W. (2003-04-17). "Nanotechnology with Soft Materials". Angewandte Chemie International Edition (به انگلیسی). 42 (15): 1692–1712. doi:10.1002/anie.200200546. ISSN 1433-7851.
  32. ↑ Schmidt, Bernhard V. K. J.; Barner‐Kowollik, Christopher (2017-07-10). "Dynamic Macromolecular Material Design—The Versatility of Cyclodextrin‐Based Host–Guest Chemistry". Angewandte Chemie International Edition (به انگلیسی). 56 (29): 8350–8369. doi:10.1002/anie.201612150. ISSN 1433-7851.
  33. ↑ Maimouni, Ilham; Cejas, Cesare M.; Cossy, Janine; Tabeling, Patrick; Russo, Maria (2020-01-12). "Microfluidics Mediated Production of Foams for Biomedical Applications". Micromachines (به انگلیسی). 11 (1): 83. doi:10.3390/mi11010083. ISSN 2072-666X.
  34. ↑ Hamley, Ian W.; Castelletto, Valeria (2007-06-11). "Biological Soft Materials". Angewandte Chemie International Edition (به انگلیسی). 46 (24): 4442–4455. doi:10.1002/anie.200603922. ISSN 1433-7851.
  35. ↑ Bisoyi, Hari Krishna; Li, Quan (2022-03-09). "Liquid Crystals: Versatile Self-Organized Smart Soft Materials". Chemical Reviews (به انگلیسی). 122 (5): 4887–4926. doi:10.1021/acs.chemrev.1c00761. ISSN 0009-2665.
  36. ↑ Tschierske, Carsten (2018-12-08). "Mirror symmetry breaking in liquids and liquid crystals". Liquid Crystals (به انگلیسی). 45 (13–15): 2221–2252. doi:10.1080/02678292.2018.1501822. ISSN 0267-8292.
  37. ↑ Brown, Michael F. (2017-05-22). "Soft Matter in Lipid–Protein Interactions". Annual Review of Biophysics (به انگلیسی). 46 (1): 379–410. doi:10.1146/annurev-biophys-070816-033843. ISSN 1936-122X.
آیکون خرد

این یک مقالهٔ خرد فیزیک است. می‌توانید با گسترش آن به ویکی‌پدیا کمک کنید.

برگرفته از «https://fa.wikipedia.org/w/index.php?title=فیزیک_ماده_چگال_نرم&oldid=40909147»