|
Soft-matter er groft sagt alt det, der ligger mellem simple faste elastiske materialer og simple viscøse væsker. Næsten alle dagligdagsmaterialer er soft-matter. Eksempler fra kosmetik er shampoo, fugtighedscreme og barberskum, mens fra gastronomien har vi f.eks. budding, mælk, salat dressing, og mayonnaise. Teknologiske materialer som gummi, sæbe, blæk og flydende krystaller til TV skærme er også soft-matter. Yderligere er alle biologiske materialer såsom muskler, celle membraner og amøber også soft-matter. (Er vand+kartoffelmel en væske eller et fast stof?)
Hvorfor "Computational"? For at forstå alle disse forskellige materialer er det nødvendig at udvikle teorier der beskriver dem. Fordi soft-matter har en kompleks molekylær struktur og dynamik ender teorierne også med at være tilsvarende komplekse. Et typisk trick for at få en fysisk insigt er at lave simplere tilnærmede teorier, der kan løses analytisk. Disse har dog kun en begrænset gyldighed eller er kun kvalitativt korrekte. Med moderne computere er det muligt at numerisk simulerere store og relativt komplekse modeller for soft-matter. (se f.eks. min simulation af et juletræsformet polymermolekyle ved en overfalde)
Fra sådanne studier får vi ikke kun ny og dybere viden om soft-matter, men også viden der kan bruges til at forbedre eller modbevise teorier, der forsøger at beskrive dem. Den viden kan også bruges til at forbedre fortolkningen af eksperimenter med soft-matter. Der er altså tale om en synergi mellem computer simulationer, teori og eksperiment.
Hvorfor er det interessant? I skolen lærer man at der findes 3 tilstandsformer: krystaller, væsker og gas. Alle har idag et TV baseret på flydendekrystaller. Soft-matter indeholder et stort antal af eksempler på materialer med komplekse og interessante faser. Ved at ændre temperatur, pH, koncentration, eller ved at deformere materialet eller udsætte det for elektriske eller magnetiske felter kan soft-matter udvise interessante faseovergange, der gør dem brugbare for et utal af teknologiske applikationer.
Når soft-matter ikke er dødt, men forbrænder energi som det sker i biologiske materiale kan resulatet være muskler der trækker sig sammen, sperm der svømmer vha. deres flagel, eller keratocytter der kravler på en overflade. At forstå disse fænomener på et molekylært niveau er en stor udfordring, der forudsætter at vi allerede har forstået "simpelt dødt" soft-matter. (se kravlende keratocyt)
Self-assembly af mesoskopiske strukturer. Typisk for soft-matter er at molekyler finder sammen i mesoskopiske strukturer. Det der er interessant er ikke så meget de enkelte molekylernes opførsel, men den effektive opførsel af de strukturer de danner, og disse strukturers respons til ydre stimuli. Et eksempel er hvordan proteiner selv kan finde sammen, og skabe en fungerende virus. (se f.eks. Virus capsid self-assembly)
Hvad er det der gør at gummi kan huske sin form, så f.eks. hiver man i et gummi bånd så kan det finde den oprindelige form igen. Er gummi et flydende eller fast materiale? Disse spørgsmål er relaterede til den molekylære struktur af gummi, hvor det består af lange molekyler filtret sammen som spagetti.
    |
| En blok af gummi (venstre), visualisering af molekylerne i den oprindelige udeformerede tilstand, et billed af molekylernes som materialet er deformeret, et billed der viser de kræfter som materialet reagerer med. (højre) |
Polymere er lange tråde, og som spagetti vil de være filtret sammen og kan danne knuder. Når de kemisk krydslænkes dannes et netværk. Gummi er netop sådan et netværk af polymer molekyler. Gummi materialers egenskaber afhænger af strukturen af polymerne og det netværk de danner.
 |
| Visualisering af et enkelt polymer molekyle (rødt) omgivet af en stort antal nabo molekyler (blå). I den venstre side vises den virkelige molekylære konfiguration karakteriseret ved store termiske fluktuationer. I midten vises resultatet af vores topologiske Primitive Path analyse, der fjerner disse fluktuationer. Man kan tydeligt se hvordan den røde polymer er topologisk sammenfiltret i en række punkter (entanglements) med de blå nabo polymere. I den højre side vises alle polymerene i smelten. |
Ved at analysere de topologiske egenskaber af molekylerne i polymermaterialer som f.eks. gummi kan vi begynde at kvantitativt forstå og forudsige hvordan disse materialers viscoelastiske egenskaber hænger sammen med deres molekylære struktur og disses dynamik.