ソフトマター

ソフトマターまたはソフト凝縮物質は、熱変動と同程度の熱的または機械的応力によって変形したり構造が変化したりする可能性のある物質の一種です。

ソフトマターの科学は、凝縮物質物理学のサブフィールドです。ソフトマテリアルには、液体、コロイド、ポリマー、フォーム、ゲル、粒状物質、液晶、肉、および多くの生体材料が含まれます。これらの材料は、主な物理的挙動が室温の熱エネルギー（ kTのオーダー）に匹敵するエネルギースケールで発生し、エントロピーが支配的な要因であると考えられるという重要な共通点を持っています。^[1]これらの温度では、量子的な側面は一般に重要ではありません。ソフトマテリアルが表面と良好に相互作用する場合、外部からの圧縮力がなくても押しつぶされます。^[2]

「ソフトマターの創始者」と呼ばれるピエール＝ジル・ド・ジェンヌ^{[3]は、単純なシステムにおける}秩序現象を研究するために開発された方法が、ソフトマターに見られるより複雑なケース、特に液晶やポリマーの挙動に一般化できることを発見したことで、1991年にノーベル物理学賞を受賞した。^[4]

ソフトマターに関する現在の理解は、アルバート・アインシュタインのブラウン運動に関する研究^{[5] [6]から発展したもので、}流体中に浮遊する粒子は流体自体と同様の熱エネルギー（ kTのオーダー）を持っているはずだという理解に基づいています。この研究は、現在ではコロイドと見なされるシステムに関する確立された研究に基づいています。^[7]

液晶の結晶光学特性と流動性は、1888年にフリードリヒ・ライニツァーによって初めて記述され、 ^[8] 1889年にオットー・レーマンによってさらに特徴付けられました。 ^[9]レーマンがコレステリルベンゾエートの2つの融点を調べるために使用した実験装置は、2019年頃の現在でも液晶の研究で使用されています。^[10]

1920年、 1953年のノーベル化学賞を受賞したヘルマン・シュタウディンガー^[11]は、ポリマーは小さな分子を結びつける共有結合によって形成されることを初めて提唱しました。 ^{[12]当時は}高分子という概念は聞いたことがなく、天然ゴムなどの化合物の記録された高分子量は粒子の凝集によるものだというのが科学的コンセンサスでした。^[13]

バイオメディカル分野でのハイドロゲルの使用は、1960年にドラホスラフ・リムとオットー・ヴィヒテルレによって開拓されました。^[14]彼らは共同で、水性環境における特定のポリマーネットワークの化学的安定性、変形のしやすさ、および透過性が医学に大きな影響を与えるだろうと仮定し、ソフトコンタクトレンズを発明しました。^[15]

一見別々の分野に見えたこれらの分野は、ピエールジル・ド・ジェンヌによって劇的な影響を受け、統合されました。ド・ジェンヌのさまざまな形態のソフトマターに関する研究は、その普遍性を理解する鍵となりました。ソフトマターでは、物質の特性はその基礎となる構造の化学ではなく、基礎となる化学が作り出すメソスコピック構造に基づいています。 ^{[16]彼は液晶の}相変化の理解を深め、ポリマーシステムの緩和に関するレプテーションの概念を導入し、ポリマーの挙動をイジングモデルの挙動にうまくマッピングしました。^{[16] [17]}

ソフトマターからは、その原子や分子の構成要素から直接予測できない、または予測するのが難しい興味深い挙動が生まれます。ソフトマターと呼ばれる物質は、これらの物質がメソスコピックな物理的構造に自己組織化するという共通の傾向により、この特性を示します。マクロスケールの物質を形成するメソスケール構造の集合は低エネルギーによって制御され、これらの低エネルギーの結合により、物質の熱的および機械的変形が可能になります。^[18]対照的に、硬質凝縮物質物理学では、分子が結晶格子に組織化され、メソスコピックスケールでパターンが変化することがないため、物質の全体的な挙動を予測できることがよくあります。熱や機械的な攪拌によってわずかな歪みしか発生しない硬質物質とは異なり、ソフトマターは微視的な構成要素の局所的な再配置を受けることができます。^[19]

ソフトマターの特徴は、物理的構造のメソスコピックスケールである。この構造は、ミクロスケール（原子や分子の配置）よりもはるかに大きいが、物質のマクロスケール（全体）よりもはるかに小さい。これらのメソスコピック構造の特性と相互作用が、物質のマクロ的な挙動を決定する可能性がある。^[20]これらのメソスコピック構造を形成する構成要素の数が多く、これにより自由度が大きいため、大規模構造の間には一般的な無秩序が生じる。この無秩序により、ハードマターの特徴である長距離秩序が失われる。^[21]

たとえば、流動する液体内で自然に発生する乱流 渦は、液体の総量よりもはるかに小さいものの、個々の分子よりもはるかに大きく、これらの渦の発生によって物質の全体的な流動挙動が制御されます。また、泡を構成する気泡は、個々に膨大な数の分子から構成されるためメソスコピックですが、泡自体は多数の気泡から構成されており、泡の全体的な機械的剛性は、気泡の複合的な相互作用から生じます。

ソフトマター構造における典型的な結合エネルギーは、熱エネルギーと同程度の大きさである。そのため、構造は常に熱変動の影響を受け、ブラウン運動を起こす。^[20]変形の容易さと低エネルギー相互作用の影響により、メソスコピック構造のダイナミクスは定期的に遅くなり、一部のシステムは準安定状態で平衡状態から外れたままになる。^{[22] [23]}この特性により、外部刺激によって初期状態を回復することができ、研究でよく利用されている。^{[24] [25]}

自己組織化はソフトマターシステムの固有の特性である。システムが平衡に向かって進化するにつれて、特徴的な複雑な挙動と階層構造が自発的に生じる。^{[20]自己組織化は、結果として生じる構造が}自由エネルギーの最小値によるものである場合は静的、システムが準安定状態に陥っている場合は動的に分類できる。^{[26]動的自己組織化は、}運動学的トラッピングを通じてこれらの準安定状態を持つソフトマテリアルの機能設計に利用できる。^{[18] [27]}

軟質材料は、せん断誘起流動や相転移などの外部刺激に対して、弾性と粘性の両方の応答を示すことが多い^{[22] 。しかし、過度の外部刺激は}非線形応答をもたらすことが多い。^{[1] [28]}軟質材料は、亀裂伝播前に大きく変形するため、一般的な破壊力学の定式化とは大きく異なります。^[19]応力下での変形を研究するレオロジーは、軟質材料のバルク特性を調査するためによく使用されます。^[22]

ソフトマターは、相互に関連する多様なシステムで構成されており、特定のクラスに大まかに分類できます。これらのクラスは決して明確に区別されるものではなく、2 つ以上のグループが重複していることも少なくありません。

ポリマーは、その特性が環境と組成によって決まる繰り返しサブユニットで構成された大きな分子です。ポリマーには、合成プラスチック、天然繊維、ゴム、生物学的タンパク質が含まれます。ポリマー研究は、材料科学や薬物送達からタンパク質結晶化まで、ナノテクノロジー^{[29] [ 30]}に応用されています。^{[24] [31]}

フォームは、気体が分散されて空洞を形成した液体または固体で構成されています。この構造により、システムの表面積と体積の比率が大きくなります。 ^{[23] [32]フォームは}断熱材や繊維に応用されており、^{[32]薬物送達や}組織工学の生物医学分野でも活発に研究されています。^[31] フォームは自動車の防水・防塵や騒音低減にも使用されています。

ゲルは、溶媒に溶けない3Dポリマー骨格から構成され、共有結合または物理的に架橋されており、高い溶媒/含有量比を持っています。^{[33] [34]機械的ストレスや熱ストレス、溶媒の選択に敏感なゲルの機能化に関する研究により、}形状記憶^[35]やゲスト分子を選択的かつ可逆的に結合する能力などの特性を持つ多様な構造が生み出されています。^[34]

コロイドは、水溶液中のタンパク質など、媒体中に浮遊する不溶性の粒子である。^[36]コロイドの研究は、主に物質の組織化を理解することに焦点を当てており、コロイドの大きな構造は個々の分子に比べて十分に大きく、容易に観察できる。^[37]

液晶はタンパク質、小分子、またはポリマーで構成されており、特定の方向に凝集秩序を形成するように操作できます。^{[38]液晶は}流動できるという点で液体のような挙動を示しますが、結晶に近い配列を得ることができます。液晶の特徴の1つは、対称性を自発的に破る能力です。^{[39]液晶は、}液晶ディスプレイ（LCD）などの光学デバイスで重要な用途が見つかりました。

生体膜は、非共有結合相互作用により二重層構造に自己組織化した個々のリン脂質分子で構成されています。膜の形成に関連する局所的な低エネルギーにより、大規模構造の弾性変形が可能になります。^[40]

ソフトマターの包括的な特性におけるメソスケール構造の重要性のため、実験研究は主に材料のバルク特性に焦点を当てています。レオロジーは、応力下での材料の物理的変化を調査するためによく使用されます。^[22]タンパク質結晶化などの生物学的システムは、多くの場合、 X線および中性子結晶構造解析を通じて調査され、^[41]核磁気共鳴分光法は膜の平均構造と脂質移動性を理解するために使用できます。^[40]

広角X線散乱、小角X線散乱、中性子散乱、動的光散乱などの散乱技術は、材料の平均的な特性を調べる際にも使用できます。これらの方法は、システム内の成分の粒度分布、形状、結晶化度、拡散を決定することができます。 ^{[42] [43]散乱技術は}等方性および希薄サンプルに適しているため、一部のシステムへの適用には制限があります。 ^[42]

計算手法は、調査対象の構造の構成と環境を厳密に制御する能力があり、またミクロからマクロの長さスケールに及ぶため、ソフトマターシステムをモデル化して理解するためによく使用されます。^[21]ただし、計算手法はシステムへの適合性によって制限されるため、正確性を確保するために実験結果に対して定期的に検証する必要があります。^{[21]ソフトマター特性の予測における}情報科学の使用も、ソフトマターシステムに利用可能な大量のデータのおかげで、コンピューターサイエンスの成長分野です。^[44]

光学顕微鏡はコロイド系の研究に使用できますが、透過型電子顕微鏡（TEM）や原子間力顕微鏡（AFM）などのより高度な方法は、ナノスケールでのマッピングシステムへの適用性のため、ソフトマターの形態を特徴付けるためによく使用されます。^{[45] [46]}これらのイメージング技術は、すべてのクラスのソフトマターに普遍的に適しているわけではなく、一部のシステムは、他の分析よりも1種類の分析に適している場合があります。たとえば、TEMによるハイドロゲルのイメージングには、イメージングに必要なプロセスのために用途が限られています。ただし、蛍光顕微鏡は簡単に適用できます。^[42]液晶は、温度や電場などのさまざまな条件下での材料の秩序を決定するために、偏光顕微鏡を使用してプローブされることがよくあります。^[47]

ソフトマテリアルは幅広い技術応用において重要であり、各ソフトマテリアルは複数の分野と関連付けられることが多い。例えば液晶は、もともと植物学者で化学者のフリードリヒ・ライニツァーがコレステロールを研究していたときに生物科学の分野で発見された。^{[10]しかし現在では、液晶は}液晶ディスプレイ、液晶チューナブルフィルター、液晶温度計としても応用されている。アクティブ液晶は、液晶の構成要素が自走できるソフトマテリアルのもう1つの例である。^[48]

ポリマーは、ラテックス手袋に使用される天然ゴムからタイヤに使用される加硫ゴムまで、さまざまな用途に使用されています。ポリマーは、材料科学の分野で幅広いソフトマターを包含しています。その一例がハイドロゲルです。ハイドロゲルはせん断流動性があるため、 3Dプリンティングの開発に適しています。^{[27]刺激に応答する動作のため、ハイドロゲルの3Dプリンティングは、}ソフトロボティクス、組織工学、フレキシブルエレクトロニクスなど、さまざまな分野で応用されています。^[49]ポリマーにはタンパク質などの生体分子も含まれており、ソフトマター研究から得られた研究成果は、タンパク質結晶化などのトピックをより深く理解するために応用されています。^[41]

泡は、ビールの泡のように自然に発生することもあれば、消火器のように意図的に生成されることもあります。泡の物理的特性により、その粘度に基づいた用途が生まれており、^[23]より硬く自立した泡は断熱材やクッションとして使用され、流動性のある泡はシャンプーや化粧品として化粧品業界で使用されています。^{[23]泡は、組織工学の足場や}バイオセンサーとして生物医学的用途にも使用されています。^[50]

歴史的に、ソフトマター科学の初期に検討された問題は、生物学に関連するものでした。そのため、ソフトマター研究の重要な応用は生物物理学であり、この分野の主な目標は、細胞生物学の分野をソフトマター物理学の概念に還元することです。^[20]ソフトマターの特性の応用は、膜の可動性、^[40]や血液のレオロジーなど、生物学的に関連するトピックを理解するために使用されます。^[36]

• I. ハムリー、「ソフトマター入門（第 2 版）」、J. ワイリー、チチェスター (2000)。
• RAL Jones, Soft Condensed Matter、オックスフォード大学出版局、オックスフォード (2002)。
• TA Witten（PA Pincusと共著）、「構造化流体：ポリマー、コロイド、界面活性剤」、オックスフォード（2004年）。
• M. Klemanと OD Lavrentovich、「ソフトマター物理学：入門」、Springer (2003)。
• M. ミトフ、「Sensitive Matter: Foams, Gels, Liquid Crystals and Other Miracles」、ハーバード大学出版局 (2012)。
• JN Israelachvili、「分子間力と表面力」、Academic Press (2010)。
• AV Zvelindovsky (編集)、「ナノ構造ソフトマター - 実験、理論、シミュレーションおよび展望」、Springer/Dordrecht (2007)、ISBN 978-1-4020-6329-9。 
• M. Daoud、CE Williams（編）、Soft Matter Physics、Springer Verlag、ベルリン（1999年）。
• ジェラルド・H・リストウ、「粒状物質のパターン形成」、シュプリンガー現代物理学巻161号。シュプリンガー、ベルリン（2000年）。ISBN 3-540-66701-6。 
• ド・ジェンヌ、ピエール・ジル、ソフトマター、ノーベル講演会、1991 年 12 月 9 日
• SAサフラン、「表面、界面、膜の統計熱力学」、ウェストビュープレス（2003）
• RG ラーソン、「複合流体の構造とレオロジー」、オックスフォード大学出版局 (1999)
• ギャング、オレグ、「ナノスケールのソフトマターとバイオマテリアル：機能性ナノマテリアルに関する WSPC リファレンス - パート I（全 4 巻）」、World Scientific Publisher（2020 年）

ウィキメディア・コモンズのソフトマター関連メディア

• ピエール＝ジル・ド・ジェンヌのノーベル賞講演会
• アメリカ物理学会ソフトマタートピックグループ (GSOFT)
• Softbites - 大学院生とポスドクが運営するブログ。ソフトマターの最新研究と古典研究をまとめた短い記事を通じて、ソフトマターへの理解を深めます。
• ソフトマターワールド
• ソフトマターリソース
• SklogWiki - 単純な液体、複雑な流体、柔らかい凝縮物質に特化したウィキ。
• ハーバード大学工学応用科学大学院のソフトマター Wiki - ソフトマターに関する学術論文を整理、レビュー、要約します。
• ソフトマターエンジニアリング - フロリダ大学のソフトマターエンジニアリングに特化したグループ
• ソフトマターに関する Google Scholar ページ