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または機械的ストレス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、凝縮物質物理学の一分野です。ソフトマターには、液体、コロイド、ポリマー、泡、ゲル、粒状物質、液晶、肉、そして多くの生体材料が含まれます。これらの材料は、支配的な物理的挙動が室温の熱エネルギー（ kT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因子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的に重要ではありません。ソフトマターが表面と良好に相互作用する場合、外部からの圧縮力なしに押しつぶされます。[ 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の研究のために開発された手法が、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 ]

歴史

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 ]から発展しました。アインシュタインは、流体中に浮遊する粒子は、流体自体と同等の熱エネルギー（ kTオーダー）を持つ必要があると理解しました。この研究は、現在ではコロイドとみなされる系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における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、変形の容易さ、および透過性が医学に大きな影響を与えるであろうと仮定し、ソフトコンタクトレンズを発明しました。[ 15 ]

一見別々に見えるこれらの分野は、ピエール＝ジル・ド・ジェンヌによって劇的な影響を受け、融合されました。ド・ジェンヌの様々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。ソフトマターにおいては、物質特性は基礎構造の化学反応ではなく、むしろ基礎化学反応が作り出すメソスコピック構造に基づいています。[ 16 ]彼は液晶における相変化の理解を深め、高分子系の緩和に関するレプテーションの概念を導入し、高分子の挙動をイジング模型の挙動にうまくマッピングしました。[ 16 ] [ 17 ]

独特の物理学

個々のリン脂質がコロイド（リポソームおよびミセル）または膜（二重層シート）に自己組織化します。

ソフトマターは、その原子や分子の構成要素から直接予測できない、あるいは予測困難な興味深い挙動を示す。ソフトマターと呼ばれる物質は、メソスコピックな物理的構造へと自己組織化するという共通の傾向を持つため、このような特性を示す。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、こうした低エネルギーの結合によって物質の熱的・機械的変形が可能になる。[ 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において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多い。熱や機械的な振動によってわずかな歪みしか生じ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可能性がある。[ 19 ]

ソフトマターの特徴の一つは、物理的構造がメソスコピックスケールであることです。この構造は、ミクロスケール（原子や分子の配列）よりもはるかに大きく、物質のマクロスケール（全体）よりもはるかに小さいです。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ります。[ 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、それによって生じる大きな自由度は、大規模構造間の一般的な無秩序をもたらします。この無秩序は、ハードマターの特徴である長距離秩序の喪失につながります。[ 21 ]

例えば、流動する液体中に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、これらの渦の発生が物質全体の流動挙動を制御します。また、泡を構成する気泡は、それぞれが膨大な数の分子から構成されてい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、泡全体の機械的剛性は、気泡の相互作用によって生じます。

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、構造は常に熱揺らぎの影響を受け、ブラウン運動を行う。[ 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緩慢になり、一部の系は平衡状態から外れた準安定状態を維持する。 [ 22 ] [ 23 ]この特性は、外部刺激によって初期状態への回復を可能にするため、研究においてしばしば利用されている。[ 24 ] [ 25 ]

自己組織化はソフトマター系に固有の特性である。系が平衡状態へと進化するにつれて、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最小値に起因する場合は静的、系が準安定状態に陥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介し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、過度の外部刺激はしばしば非線形応答をもたらす[ 1 ]。[ 28 ]軟質材料は、亀裂伝播前に大きく変形するが、これは一般的な破壊力学の定式化とは大きく異なる。[ 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べるためによく用いられる[ 22 ] 。

ソフトマターのクラス

生体高分子の一例であるDNA 二重らせんの一部。
α-シクロデキストリン分子内に結合したポリエチレングリコールオリゴマーのホスト-ゲスト複合体。ゲル形成によく用いられる骨格です。原子は、赤が酸素、シアンが炭素、白が水素を表すように色分けされています。
結晶、液晶、液体の状態における分子秩序を漫画で表現したものです。

ソフトマターは多様な相互に関連するシステムから構成されており、大まかにいくつかのクラスに分類できます。これらのクラスは決して明確に区別できるものではなく、2つ以上のグループが重複していることがよくあります。

ポリマー

ポリマーは、繰り返し構造を持つサブユニットから構成される大きな分子であり、その特性は周囲の環境と組成によって決まります。ポリマーには、合成プラスチック、天然繊維、ゴム、そして生物学的タンパク質が含まれます。ポリマー研究は、ナノテクノロジー[ 29 ] [ 30 ] 、材料科学や薬物送達からタンパク質結晶化[ 24 ] [ 31 ]に至るまで、様々な分野に応用されています。

フォーム

発泡体は、液体または固体中に気体が分散して空洞を形成したもので、この構造により、システムの表面積と体積の比が大きくなります。 [ 23 ] [ 32 ]発泡体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といった生物医学分野でも活発な研究が行われています。[ 31 ] 発泡体は自動車の防水・防塵シールや騒音低減にも利用されています。

ゲル

ゲルは、溶媒に溶けない3Dポリマー骨格から成り、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ました。 [ 34 ]

コロイド

コロイドは、水溶液中のタンパク質のように、媒体中に懸濁した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

液晶は、タンパク質、小分子、またはポリマーから構成され、特定の方向に凝集秩序を形成するように操作することができます。[ 38 ]液晶は流動性という点で液体のような挙動を示しますが、結晶に近い配向をとることもできます。液晶の特徴の一つは、自発的に対称性を破る能力です。[ 39 ]液晶は、液晶ディスプレイ（LCD）などの光学デバイスにおいて重要な用途が見出されています。

生体膜

生体膜は、非共有結合性相互作用によって自己組織化して二重層構造を形成する個々のリン脂質分子から構成されています。膜形成に伴う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 ]

実験的特性評価

ソフトマターの包括的な特性においてメソスケール構造が重要であるため、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、応力下における材料の物理的変化を調べるためによく用いられます。[ 22 ]タンパク質結晶化などの生物学的システムは、X線結晶構造解析や中性子結晶構造解析によって研究されることが多く、[ 41 ]核磁気共鳴分光法は膜の平均構造と脂質の運動性を理解するために用いられます。[ 40 ]

散乱

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、系内の成分の粒径分布、形状、結晶性、拡散を決定することができます。 [ 42 ] [ 43 ]散乱技術は等方性試料や希薄試料に適しているため、一部の系への適用には限界があります。[ 42 ]

計算

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、微視的から巨視的スケールまでの長さをカバーできるため、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 ]しかし、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インフォマティクスの使用も、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、コンピュータサイエンスの成長分野です。[ 44 ]

顕微鏡検査

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、ナノスケールのマッピングシステムに適用できるため、ソフトマターの形態の特性評価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特定の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、蛍光顕微鏡は容易に適用できます。[ 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 ]

アプリケーション

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、それぞれの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、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際に、生物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、液晶温度計などにも応用されている。アクティブ液晶もソフトマテリアルの一例であり、液晶を構成する元素が自ら運動する性質を持つ。[ 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、多様な用途に使用されています。ポリマーは広範囲のソフトマターを包含し、材料科学の分野で応用されています。その一例がハイドロゲルです。せん断流動性を持つハイドロゲルは、 3Dプリンティングの開発に適しています。[ 27 ]刺激に応答する挙動のため、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物学的分子も包含されており、ソフトマター研究から得られた知見は、タンパク質結晶化などのトピックの理解を深めるために応用されています。[ 41 ]

ソフトマテリアルの3D/4Dプリンティングは進化を続けており、様々な印刷技術、材料の種類、そしてそれらの工学技術における幅広い応用に焦点を当てています。主要な印刷方法は、押し出し印刷とインクジェット印刷、ステレオリソグラフィー、選択的レーザー焼結法、直接インク書き込み、VAT光重合です。3D/4Dプリンティング用のソフトマテリアルには、エラストマー、ハイドロゲル、バイオインスパイアードポリマー、導電性およびフレキシブル材料、そしてインクジェットベースのバイオミメティック材料など、バイオメディカルエンジニアリング、ソフトロボティクス、ウェアラブルデバイス、繊維、食品技術、医薬品などの分野への応用が期待されています。設計の幾何学的複雑さ、コスト、解像度、材料の適合性、拡張性、規制上の懸念など、変化と制限が存在します。[ 50 ]

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います。[ 23 ]より硬く自立型の泡は断熱材やクッションとして使用され、流動性のある泡は化粧品業界でシャンプーや化粧品として使用されています。[ 23 ]泡はまた、組織工学において足場やバイオセンサーとして生物医学的用途も見出されています。[ 51 ]

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分野の一つは生物物理学であり、この分野の主要な目標は、細胞生物学の分野をソフトマター物理学の概念へと還元することです。[ 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[ 36 ]といった生物学的に関連するトピックの理解に用いられています。

参照

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