المادة اللينة

المادة اللينة أو المادة المكثفة اللينة هي نوع من المواد التي يمكن تشويهها أو تغيير بنيتها عن طريق الإجهاد الحراري أو الميكانيكي الذي يكون له حجم مماثل للتقلبات الحرارية .

يُعدّ علم المواد اللينة فرعًا من فروع فيزياء المادة المكثفة . تشمل المواد اللينة السوائل ، والغرويات ، والبوليمرات ، والرغوات ، والهلاميات ، والمواد الحبيبية ، والبلورات السائلة ، واللحم ، وعددًا من المواد الحيوية . تشترك هذه المواد في سمةٍ مهمة، وهي أن السلوكيات الفيزيائية السائدة تحدث عند مستوى طاقة يُقارب الطاقة الحرارية عند درجة حرارة الغرفة (من رتبة kT )، وأن الإنتروبيا تُعتبر العامل المهيمن. ^{[ 1 ]} عند هذه الدرجات الحرارية، تكون الجوانب الكمومية غير مهمة عمومًا. عندما تتفاعل المواد اللينة بشكلٍ إيجابي مع الأسطح، فإنها تنضغط دون وجود قوة ضغط خارجية. ^{[ 2 ]}

حصل بيير جيل دي جين ، الذي أطلق عليه لقب "الأب المؤسس للمادة اللينة"، ^{[ 3 ]} على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1991 لاكتشافه أن الطرق التي تم تطويرها لدراسة ^ظواهر الترتيب في الأنظمة البسيطة يمكن تعميمها على الحالات الأكثر تعقيدًا الموجودة في المادة اللينة، ولا سيما سلوك البلورات السائلة والبوليمرات . [ ^{4 ]}

نشأ الفهم الحالي للمادة اللينة من أعمال ألبرت أينشتاين حول الحركة البراونية ، ^{[ 5 ] [ 6 ]} حيث أدرك أن الجسيم المعلق في سائل يجب أن يمتلك طاقة حرارية مماثلة لطاقة السائل نفسه (من رتبة kT ). وقد استند هذا العمل إلى أبحاث راسخة في أنظمة تُصنف الآن ضمن الغرويات. ^{[ 7 ]}

وصف فريدريش راينيتزر الخصائص البصرية البلورية للبلورات السائلة وقدرتها على التدفق لأول مرة في عام 1888، ^{[ 8 ]} ثم قام أوتو ليمان بتوصيفها بشكل أكبر في عام 1889. ^{[ 9 ]} ولا يزال الإعداد التجريبي الذي استخدمه ليمان لدراسة نقطتي انصهار بنزوات الكوليستريل مستخدمًا في أبحاث البلورات السائلة حتى عام 2019 تقريبًا. ^{[ 10 ]}

في عام 1920، كان هيرمان شتاودينغر ، الحائز على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1953 ، ^{[ 11 ]} أول من اقترح أن البوليمرات تتكون من خلال روابط تساهمية تربط الجزيئات الصغيرة معًا. ^{[ 12 ]} لم تكن فكرة الجزيء الضخم معروفة آنذاك، إذ كان الإجماع العلمي السائد هو أن الأوزان الجزيئية العالية المسجلة لمركبات مثل المطاط الطبيعي تعود بدلاً من ذلك إلى تجمع الجزيئات . ^{[ 13 ]}

بدأ استخدام الهيدروجيل في المجال الطبي الحيوي عام 1960 على يد دراهوسلاف ليم وأوتو فيشترلي . ^{[ 14 ]} وقد افترضا معًا أن الاستقرار الكيميائي وسهولة التشوه ونفاذية شبكات بوليمرية معينة في البيئات المائية سيكون لها تأثير كبير على الطب، وكانا مخترعي العدسات اللاصقة اللينة . ^{[ 15 ]}

تأثرت هذه المجالات التي بدت منفصلة بشكل كبير، وساهم بيير جيل دي جين في دمجها . كان عمل دي جين في مختلف أشكال المواد اللينة أساسيًا لفهم عالميتها ، حيث لا تعتمد خصائص المادة على التركيب الكيميائي الأساسي ، بل على البنى الميزوسكوبية التي يُنشئها هذا التركيب الكيميائي. ^{[ 16 ]} وقد وسّع فهم تغيرات الطور في البلورات السائلة، وقدّم فكرة الزحف فيما يتعلق باسترخاء أنظمة البوليمر، ونجح في ربط سلوك البوليمر بنموذج إيزينغ . ^{[ 16 ] [ 17 ]}

تنشأ سلوكيات مثيرة للاهتمام من المواد اللينة بطرق لا يمكن التنبؤ بها، أو يصعب التنبؤ بها، مباشرةً من مكوناتها الذرية أو الجزيئية . تُظهر المواد التي تُسمى بالمواد اللينة هذه الخاصية نظرًا لميلها المشترك إلى التنظيم الذاتي في هياكل فيزيائية متوسطة الحجم. ويخضع تجميع الهياكل متوسطة الحجم التي تُشكل المادة كبيرة الحجم لطاقات منخفضة، وتسمح هذه الروابط منخفضة الطاقة بالتشوه الحراري والميكانيكي للمادة. ^{[ 18 ]} وعلى النقيض من ذلك، في فيزياء المادة المكثفة الصلبة ، غالبًا ما يكون من الممكن التنبؤ بالسلوك العام للمادة لأن الجزيئات مُنظمة في شبكة بلورية دون أي تغييرات في النمط على أي مستوى متوسط ​​الحجم. وعلى عكس المواد الصلبة، حيث تحدث تشوهات طفيفة فقط نتيجة للاضطراب الحراري أو الميكانيكي، يمكن أن تخضع المواد اللينة لإعادة ترتيب موضعية للوحدات البنائية المجهرية. ^{[ 19 ]}

من السمات المميزة للمواد اللينة الحجم المتوسط ​​للبنى الفيزيائية. فهذه البنى أكبر بكثير من الحجم المجهري (ترتيب الذرات والجزيئات )، ومع ذلك فهي أصغر بكثير من الحجم الكلي للمادة. وقد تحدد خصائص هذه البنى المتوسطة وتفاعلاتها السلوك الكلي للمادة. ^{[ 20 ]} ويؤدي العدد الكبير من المكونات التي تشكل هذه البنى المتوسطة، وما ينتج عنه من درجات حرية واسعة ، إلى اضطراب عام بين البنى واسعة النطاق. ويؤدي هذا الاضطراب إلى فقدان الترتيب بعيد المدى الذي يميز المواد الصلبة. ^{[ 21 ]}

على سبيل المثال، تكون الدوامات المضطربة التي تتشكل طبيعيًا داخل سائل متدفق أصغر بكثير من الكمية الإجمالية للسائل، ومع ذلك فهي أكبر بكثير من جزيئاته الفردية، ويتحكم ظهور هذه الدوامات في سلوك التدفق العام للمادة. كذلك، فإن الفقاعات التي تُكوّن الرغوة هي فقاعات متوسطة الحجم، لأنها تتكون كل منها على حدة من عدد هائل من الجزيئات، ومع ذلك تتكون الرغوة نفسها من عدد كبير من هذه الفقاعات، وتنشأ الصلابة الميكانيكية الإجمالية للرغوة من التفاعلات المُجتمعة لهذه الفقاعات.

تتشابه طاقات الروابط النموذجية في هياكل المواد اللينة مع الطاقات الحرارية. ولذلك، تتأثر هذه الهياكل باستمرار بالتقلبات الحرارية وتخضع لحركة براونية . ^{[ 20 ]} يؤدي سهولة التشوه وتأثير التفاعلات منخفضة الطاقة عادةً إلى ديناميكيات بطيئة للهياكل الميزوسكوبية، مما يسمح لبعض الأنظمة بالبقاء خارج حالة التوازن في حالات شبه مستقرة . ^{[ 22 ] [ 23 ]} تتيح هذه الخاصية استعادة الحالة الأولية من خلال محفز خارجي، وهو ما يُستغل غالبًا في الأبحاث. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

يُعدّ التجميع الذاتي سمةً جوهريةً لأنظمة المواد اللينة. وينشأ السلوك المعقد المميز والبنى الهرمية تلقائيًا مع تطور النظام نحو حالة التوازن. ^{[ 20 ]} يُمكن تصنيف التجميع الذاتي إلى نوعين: ثابت عندما يكون التركيب الناتج ناتجًا عن حد أدنى للطاقة الحرة ، وديناميكي عندما يكون النظام في حالة شبه مستقرة. ^{[ 26 ]} يُمكن الاستفادة من التجميع الذاتي الديناميكي في التصميم الوظيفي للمواد اللينة ذات هذه الحالات شبه المستقرة من خلال الحصر الحركي . ^{[ 18 ] [ 27 ]}

غالبًا ما تُظهر المواد اللينة استجابات مرنة ولزجة للمؤثرات الخارجية ^{[ 22 ]} ، مثل التدفق الناتج عن القص أو التحولات الطورية. مع ذلك، غالبًا ما تؤدي المؤثرات الخارجية المفرطة إلى استجابات غير خطية . ^{[ 1 ] [ 28 ]} تتعرض المادة اللينة لتشوه كبير قبل انتشار الشقوق ، وهو ما يختلف اختلافًا جوهريًا عن صياغة ميكانيكا الكسر العامة. ^{[ 19 ]} يُستخدم علم الريولوجيا ، وهو دراسة التشوه تحت الإجهاد ، غالبًا لدراسة الخصائص الكلية للمادة اللينة. ^{[ 22 ]}

تتكون المادة اللينة من مجموعة متنوعة من الأنظمة المترابطة، ويمكن تصنيفها بشكل عام إلى فئات معينة. وهذه الفئات ليست منفصلة تماماً، إذ غالباً ما توجد تداخلات بين مجموعتين أو أكثر.

نظراً لأهمية البنى المتوسطة في الخصائص العامة للمواد اللينة، يركز العمل التجريبي بشكل أساسي على الخصائص الكلية للمواد. ويُستخدم علم الريولوجيا غالباً لدراسة التغيرات الفيزيائية للمادة تحت تأثير الإجهاد. ^{[ 22 ]} كما تُدرس الأنظمة البيولوجية، مثل تبلور البروتين، عادةً باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية والنيوترونية ، ^{[ 41 ]} بينما يمكن استخدام مطيافية الرنين المغناطيسي النووي في فهم البنية المتوسطة وحركة الدهون في الأغشية. ^{[ 40 ]}

تُعدّ المواد اللينة ذات أهمية بالغة في طيف واسع من التطبيقات التكنولوجية، وغالبًا ما ترتبط كل مادة لينة منها بتخصصات متعددة. فعلى سبيل المثال، اكتُشفت البلورات السائلة في الأصل في العلوم البيولوجية عندما كان عالم النبات والكيميائي فريدريك راينيتزر يُجري أبحاثًا حول الكوليسترول . ^{[ 10 ]} أما الآن، فقد وجدت البلورات السائلة تطبيقاتٍ أيضًا في شاشات العرض البلورية السائلة ، والمرشحات القابلة للضبط ، ومقاييس الحرارة البلورية السائلة . وتُعدّ البلورات السائلة النشطة مثالًا آخر على المواد اللينة، حيث يمكن للعناصر المكونة لها أن تتحرك ذاتيًا. ^{[ 48 ]}

وجدت البوليمرات تطبيقات متنوعة، بدءًا من المطاط الطبيعي المستخدم في قفازات اللاتكس وصولًا إلى المطاط المُفلكن المستخدم في الإطارات. تشمل البوليمرات نطاقًا واسعًا من المواد اللينة، ولها تطبيقات في علم المواد. ومن الأمثلة على ذلك الهيدروجيل. وبفضل قدرته على الخضوع لظاهرة ترقق القص ، يُعد الهيدروجيل مناسبًا تمامًا لتطوير الطباعة ثلاثية الأبعاد . ^{[ 27 ]} ونظرًا لسلوكه الاستجابي للمؤثرات، فقد وجدت الطباعة ثلاثية الأبعاد للهيدروجيل تطبيقات في مجالات متنوعة، مثل الروبوتات اللينة ، وهندسة الأنسجة ، والإلكترونيات المرنة . ^{[ 49 ]} كما تشمل البوليمرات جزيئات بيولوجية مثل البروتينات، حيث طُبقت نتائج الأبحاث في مجال المواد اللينة لفهم أفضل لمواضيع مثل تبلور البروتين. ^{[ 41 ]}

تتطور الطباعة ثلاثية ورباعية الأبعاد للمواد اللينة، مع التركيز على تقنيات الطباعة المختلفة وأنواع المواد وتطبيقاتها الواسعة في الهندسة والتكنولوجيا. تشمل طرق الطباعة الرئيسية الطباعة بالبثق والطباعة النفاثة للحبر، والطباعة المجسمة، والتلبيد الانتقائي بالليزر، والكتابة المباشرة بالحبر، والبلمرة الضوئية في أحواض. وتشمل المواد اللينة المتنوعة للطباعة ثلاثية ورباعية الأبعاد المطاطات، والهيدروجيلات، والبوليمرات المستوحاة من الطبيعة، والمواد الموصلة والمرنة، والمواد المحاكية للطبيعة والمطبوعة بتقنية الطباعة النفاثة للحبر، وذلك لتطبيقات في الهندسة الطبية الحيوية، والروبوتات اللينة، والأجهزة القابلة للارتداء، والمنسوجات، وتكنولوجيا الأغذية، والمستحضرات الصيدلانية. وتظل هناك تحديات وقيود في التصميم، مثل التعقيد الهندسي، والتكلفة، والدقة، وتوافق المواد، وقابلية التوسع، والاعتبارات التنظيمية. ^{[ 50 ]}

يمكن أن تتشكل الرغوة بشكل طبيعي، مثل رغوة البيرة ، أو يتم إنتاجها عمدًا، كما هو الحال عند استخدام طفايات الحريق . وقد أدت الخصائص الفيزيائية للرغوة إلى تطبيقات تعتمد على لزوجتها، ^{[ 23 ]} حيث تُستخدم أنواع الرغوة الأكثر صلابة وذاتية الدعم كعوازل أو وسائد ، بينما تُستخدم أنواع الرغوة التي تتميز بقدرتها على التدفق في صناعة مستحضرات التجميل كالشامبو والمكياج. ^{[ 23 ]} كما وجدت الرغوة تطبيقات طبية حيوية في هندسة الأنسجة كدعامات وأجهزة استشعار حيوية . ^{[ 51 ]}

تاريخيًا، كانت المشكلات التي دُرست في بدايات علم المواد اللينة تتعلق بالعلوم البيولوجية. ولذلك، يُعدّ علم الفيزياء الحيوية تطبيقًا هامًا لأبحاث المواد اللينة ، حيث يتمثل أحد أهدافه الرئيسية في اختزال مجال بيولوجيا الخلية إلى مفاهيم فيزياء المواد اللينة. ^{[ 20 ]} تُستخدم تطبيقات خصائص المواد اللينة لفهم مواضيع ذات صلة بيولوجية، مثل حركة الأغشية، ^{[ 40 ]} بالإضافة إلى ريولوجيا الدم . ^{[ 36 ]}

• I. Hamley, Introduction to Soft Matter (2nd edition), J. Wiley, Chichester (2000).
• RAL Jones، المادة المكثفة اللينة ، مطبعة جامعة أكسفورد، أكسفورد (2002).
• تي إيه ويتن (مع بي إيه بينكوس)، السوائل المهيكلة: البوليمرات، الغرويات، المواد الفعالة بالسطح ، أكسفورد (2004).
• م. كليمان و أو دي لافرينتوفيتش، فيزياء المادة اللينة: مقدمة ، سبرينغر (2003).
• م. ميتوف، المادة الحساسة: الرغوات، والهلام، والبلورات السائلة، وغيرها من المعجزات ، مطبعة جامعة هارفارد (2012).
• JN Israelachvili، القوى بين الجزيئية والسطحية ، دار النشر الأكاديمية (2010).
• AV Zvelindovsky (محرر)، المادة الناعمة ذات البنية النانوية - التجربة والنظرية والمحاكاة والمنظورات ، Springer / Dordrecht (2007)، ISBN 978-1-4020-6329-9.
• م. داود، سي إي ويليامز (محرران)، فيزياء المادة اللينة ، سبرينغر فيرلاغ، برلين (1999).
• جيرالد هـ. ريستو، تشكيل الأنماط في المواد الحبيبية ، سلسلة منشورات سبرينغر في الفيزياء الحديثة، المجلد 161. سبرينغر، برلين (2000). ISBN 3-540-66701-6.
• دي جين، بيير جيل، المادة الناعمة ، محاضرة نوبل، 9 ديسمبر 1991
• SA Safran، الديناميكا الحرارية الإحصائية للأسطح والواجهات والأغشية ، Westview Press (2003)
• آر جي لارسون، "بنية وخواص انسياب السوائل المعقدة"، مطبعة جامعة أكسفورد (1999)
• غانغ، أوليغ، "المواد اللينة والمواد الحيوية على المستوى النانوي: مرجع WSPC حول المواد النانوية الوظيفية - الجزء الأول (في 4 مجلدات)" ، دار النشر العالمية العلمية (2020).

الوسائط المتعلقة بالمادة اللينة على ويكيميديا ​​كومنز

• محاضرة نوبل لبيير جيل دي جين
• المجموعة الموضوعية التابعة للجمعية الفيزيائية الأمريكية المعنية بالمواد اللينة (GSOFT)
• سوفت بايتس - مدونة يديرها طلاب الدراسات العليا والباحثون ما بعد الدكتوراه، تجعل مادة المواد اللينة أكثر سهولة في الوصول إليها من خلال منشورات قصيرة تلخص الأبحاث الحالية والكلاسيكية في هذا المجال.
• Softmatterworld.org
• Softmatterresources.com
• SklogWiki - ويكي مخصص للسوائل البسيطة، والسوائل المعقدة، والمواد المكثفة اللينة.
• موقع ويكي المواد اللينة التابع لكلية الهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة هارفارد - يقوم بتنظيم ومراجعة وتلخيص الأوراق الأكاديمية المتعلقة بالمواد اللينة.
• هندسة المواد اللينة - مجموعة متخصصة في هندسة المواد اللينة في جامعة فلوريدا
• صفحة جوجل سكولار حول المادة اللينة