สสารอ่อนหรือสสารควบแน่นอ่อน คือ สสารประเภทหนึ่ง ที่สามารถเปลี่ยนรูปหรือเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง ได้ด้วยความเครียดจากความร้อนหรือแรงกลที่มีขนาดใกล้เคียงกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

วิทยาศาสตร์ของสสารอ่อนเป็นสาขาย่อยของฟิสิกส์สสารควบแน่น วัสดุอ่อนได้แก่ ของเหลว คอลลอยด์ โพลิเมอร์ โฟม เจล วัสดุเม็ดเล็ก ผลึกเหลว เนื้อเยื่อและวัสดุชีวภาพจำนวนหนึ่งวัสดุเหล่านี้มีคุณสมบัติร่วมกันที่สำคัญคือพฤติกรรมทางกายภาพที่เด่นชัดเกิดขึ้นที่ ระดับ พลังงานที่เทียบได้กับพลังงานความร้อนที่อุณหภูมิห้อง (อยู่ในระดับkT ) และเอนโทรปีถือเป็นปัจจัยหลัก^{[ 1 ]}ที่อุณหภูมิเหล่านี้ ด้าน ควอนตัมโดยทั่วไปไม่สำคัญ เมื่อวัสดุอ่อนมีปฏิสัมพันธ์ที่ดีกับพื้นผิว พวกมันจะถูกบีบอัดโดยไม่ต้องใช้แรงอัดจากภายนอก^{[ 2 ]}

Pierre-Gilles de Gennesซึ่งได้รับการขนานนามว่าเป็น "บิดาผู้ก่อตั้งสสารอ่อน" ^{[ 3 ]}ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1991 จากการค้นพบว่าวิธีการที่พัฒนาขึ้นเพื่อศึกษาปรากฏการณ์ความเป็นระเบียบในระบบที่เรียบง่ายสามารถนำไปใช้กับกรณีที่ซับซ้อนกว่าที่พบในสสารอ่อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งพฤติกรรมของผลึกเหลวและพอลิเมอร์^{[ 4 ]}

ความเข้าใจในปัจจุบันเกี่ยวกับสสารอ่อนเติบโตมาจากงานของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เกี่ยวกับ การเคลื่อนที่แบบบราวน์ [ ^{5 ] [ 6 ] โดย}เข้าใจว่าอนุภาคที่แขวนลอยอยู่ในของเหลวจะต้องมีพลังงานความร้อนที่คล้ายกับของเหลวเอง (อยู่ในระดับkT ) งานนี้สร้างขึ้นจากงานวิจัยที่ได้รับการยอมรับเกี่ยวกับระบบที่ปัจจุบันถือว่าเป็นคอลลอยด์^{[ 7 ]}

คุณสมบัติทางแสงของผลึกเหลวและความสามารถในการไหลของผลึกเหลวได้รับการอธิบายครั้งแรกโดยFriedrich Reinitzerในปี พ.ศ. 2431 ^{[ 8 ]}และได้รับการอธิบายเพิ่มเติมโดยOtto Lehmannในปี พ.ศ. 2432 ^{[ 9 ]}ชุดอุปกรณ์ทดลองที่ Lehmann ใช้ในการตรวจสอบจุดหลอมเหลวสองจุดของคอเลสเตอริลเบนโซเอตยังคงถูกนำมาใช้ในการวิจัยผลึกเหลวจนถึงประมาณปี พ.ศ. 2562 ^{[ 10 ]}

ในปี พ.ศ. 2463 เฮอร์มันน์ สเตาดิงเกอร์ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี พ.ศ. 2496 ^{[ 11 ]}เป็นบุคคลแรกที่เสนอว่าพอลิเมอร์เกิดขึ้นจากพันธะโควาเลนต์ที่เชื่อมโยงโมเลกุลขนาดเล็กเข้าด้วยกัน^{[ 12 ]}แนวคิดเรื่องโมเลกุลขนาดใหญ่ยังไม่เป็นที่รู้จักในขณะนั้น โดยความเห็นพ้องทางวิทยาศาสตร์คือ น้ำหนักโมเลกุลสูงที่บันทึกไว้ของสารประกอบเช่นยางธรรมชาติเกิดจาก การรวม ตัวของอนุภาค^{[ 13 ]}

การใช้ไฮโดรเจลในสาขาชีวการแพทย์ได้รับการบุกเบิกในปี พ.ศ. 2503 โดยDrahoslav LímและOtto Wichterle [ ^{14 ] พวก}เขาร่วมกันตั้งสมมติฐานว่าความเสถียรทางเคมี ความง่ายในการเปลี่ยนรูป และการซึมผ่านของเครือข่ายพอลิเมอร์บางชนิดในสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำจะมีผลกระทบอย่างมากต่อการแพทย์ และเป็นผู้คิดค้นคอนแทคเลนส์แบบ นิ่ม ^{[ 15 ]}

สาขาที่ดูเหมือนจะแยกจากกันเหล่านี้ได้รับอิทธิพลและนำมารวมกันอย่างมากโดยPierre-Gilles de Gennesงานของ de Gennes ในรูปแบบต่างๆ ของสสารอ่อนเป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจความเป็นสากล ของมัน ซึ่งคุณสมบัติของวัสดุไม่ได้ขึ้นอยู่กับเคมีของโครงสร้าง พื้นฐาน แต่ขึ้นอยู่กับ โครงสร้าง ระดับเมโซสโคปิกที่เคมีพื้นฐานสร้างขึ้น^{[ 16 ]}เขาขยายความเข้าใจเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงเฟสในผลึกเหลว แนะนำแนวคิดเรื่องreptationเกี่ยวกับการผ่อนคลายของระบบพอลิเมอร์ และประสบความสำเร็จในการแมปพฤติกรรมของพอลิเมอร์กับแบบจำลอง Ising ^{[ 16 ] [ 17 ]}

พฤติกรรมที่น่าสนใจเกิดขึ้นจากสสารอ่อนในลักษณะที่ไม่สามารถคาดการณ์ได้ หรือคาดการณ์ได้ยาก โดยตรงจาก องค์ประกอบ อะตอมหรือโมเลกุลวัสดุที่เรียกว่าสสารอ่อนแสดงคุณสมบัตินี้เนื่องจากความโน้มเอียงร่วมกันของวัสดุเหล่านี้ในการจัดระเบียบตัวเองเป็นโครงสร้างทางกายภาพระดับเมโซสโคปิก การประกอบโครงสร้างระดับเมโซสโคปิกที่ก่อตัวเป็นวัสดุระดับมหภาคถูกควบคุมโดยพลังงานต่ำ และการเชื่อมโยงพลังงานต่ำเหล่านี้ช่วยให้เกิดการเสียรูปทางความร้อนและทางกลของวัสดุ^{[ 18 ]}ในทางตรงกันข้าม ในฟิสิกส์ของสสารควบแน่น แข็ง มักจะสามารถคาดการณ์พฤติกรรมโดยรวมของวัสดุได้ เนื่องจากโมเลกุลถูกจัดเรียงเป็นโครงผลึกโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงรูปแบบในระดับเมโซสโคปิกใดๆ ต่างจากวัสดุแข็งที่เกิดการบิดเบี้ยวเพียงเล็กน้อยจากการกระตุ้นทางความร้อนหรือทางกล สสารอ่อนสามารถเกิดการจัดเรียงใหม่ในระดับท้องถิ่นของหน่วยโครงสร้างระดับจุลภาคได้^{[ 19 ]}

ลักษณะเด่นของสสารอ่อนคือ โครงสร้างทางกายภาพใน ระดับเมโซสโคปิกโครงสร้างเหล่านี้มีขนาดใหญ่กว่าระดับไมโครสโคปิก (การจัดเรียงของอะตอมและโมเลกุล ) มาก แต่ก็ยังเล็กกว่าระดับมหภาค (โดยรวม) ของวัสดุ คุณสมบัติและการปฏิสัมพันธ์ของโครงสร้างเมโซสโคปิกเหล่านี้อาจกำหนดพฤติกรรมระดับมหภาคของวัสดุได้^{[ 20 ]}จำนวนองค์ประกอบจำนวนมากที่ประกอบเป็นโครงสร้างเมโซสโคปิกเหล่านี้ และระดับความเป็นอิสระ จำนวนมาก ที่เกิดขึ้น ส่งผลให้เกิดความไม่เป็นระเบียบโดยทั่วไประหว่างโครงสร้างขนาดใหญ่ ความไม่เป็นระเบียบนี้ทำให้สูญเสียระเบียบระยะยาวซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของสสารแข็ง^{[ 21 ]}

ตัวอย่างเช่นกระแสน้ำวน ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติภายในของเหลว ที่ไหล นั้นมีขนาดเล็กกว่าปริมาณของเหลวโดยรวม แต่ใหญ่กว่าโมเลกุลแต่ละตัวของของเหลวนั้นมาก และการเกิดขึ้นของกระแสน้ำวนเหล่านี้เป็นตัวควบคุมพฤติกรรมการไหลโดยรวมของวัสดุ นอกจากนี้ ฟองอากาศที่ประกอบเป็นโฟมก็เป็นระดับเมโซสโคปิก เนื่องจากแต่ละฟองประกอบด้วยโมเลกุลจำนวนมาก แต่โฟมเองก็ประกอบด้วยฟองอากาศจำนวนมากเช่นกัน และความแข็งเชิงกลโดยรวมของโฟมเกิดจากการปฏิสัมพันธ์ร่วมกันของฟองอากาศเหล่านั้น

พลังงานพันธะทั่วไปในโครงสร้างสสารอ่อนมีขนาดใกล้เคียงกับพลังงานความร้อน ดังนั้นโครงสร้างจึงได้รับผลกระทบจากความผันผวนของความร้อนอย่างต่อเนื่องและเกิดการเคลื่อนที่แบบบราวน์ [ ^{20 ] ความ}ง่ายในการเปลี่ยนรูปและอิทธิพลของปฏิสัมพันธ์พลังงานต่ำส่งผลให้โครงสร้างระดับเมโซสโคปิกมีพลวัตช้าซึ่งทำให้บางระบบสามารถคงอยู่ในสภาวะที่ไม่สมดุลในสถานะกึ่งเสถียรได้^{[ 22 ] [ 23 ]}ลักษณะนี้ช่วยให้สามารถฟื้นคืนสถานะเริ่มต้นได้ด้วยการกระตุ้นจากภายนอก ซึ่งมักถูกนำไปใช้ในการวิจัย^{[ 24 ] [ 25 ]}

การประกอบตัวเองเป็นลักษณะเฉพาะของระบบสสารอ่อน พฤติกรรมที่ซับซ้อนและโครงสร้างลำดับชั้นที่เป็นลักษณะเฉพาะเกิดขึ้นเองเมื่อระบบวิวัฒนาการไปสู่สมดุล^{[ 20 ]}การประกอบตัวเองสามารถจำแนกได้เป็นแบบสถิตเมื่อโครงสร้างที่เกิดขึ้นเกิดจากพลังงานอิสระต่ำสุด หรือแบบไดนามิกเมื่อระบบติดอยู่ในสถานะกึ่งเสถียร^{[ 26 ]}การประกอบตัวเองแบบไดนามิกสามารถนำมาใช้ในการออกแบบเชิงฟังก์ชันของวัสดุอ่อนที่มีสถานะกึ่งเสถียรเหล่านี้ผ่าน การดัก จับจลนศาสตร์^{[ 18 ] [ 27 ]}

วัสดุอ่อนมักแสดงทั้ง การตอบสนอง แบบยืดหยุ่นและหนืดต่อสิ่งเร้าภายนอก^{[ 22 ]}เช่น การไหลที่เกิดจาก การเฉือนหรือการเปลี่ยนเฟส อย่างไรก็ตาม สิ่งเร้าภายนอกที่มากเกินไปมักส่งผลให้เกิดการตอบสนองแบบไม่เชิงเส้น^{[ 1 ] [ 28 ]}สสารอ่อนจะเสียรูป อย่างมาก ก่อนการแพร่กระจายของรอยแตกซึ่งแตกต่างอย่างมากจากสูตรกลศาสตร์การแตกหักทั่วไป^{[ 19 ]}รีโอโลยี การศึกษาการเสียรูปภายใต้ความเค้นมักถูกใช้เพื่อตรวจสอบคุณสมบัติโดยรวมของสสารอ่อน^{[ 22 ]}

สสารอ่อนประกอบด้วยระบบที่หลากหลายและมีความสัมพันธ์กัน และสามารถแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆ ได้อย่างกว้างๆ อย่างไรก็ตาม ประเภทเหล่านี้ไม่ได้แยกออกจากกันอย่างชัดเจน เนื่องจากมักมีการทับซ้อนกันระหว่างสองกลุ่มหรือมากกว่านั้น

เนื่องจากความสำคัญของโครงสร้างระดับกลางในคุณสมบัติโดยรวมของวัสดุอ่อน การทดลองจึงมุ่งเน้นไปที่คุณสมบัติโดยรวมของวัสดุเป็นหลัก รีโอโลยีมักใช้ในการตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพของวัสดุภายใต้ความเค้น^{[ 22 ]}ระบบชีวภาพ เช่น การตกผลึกของโปรตีน มักได้รับการตรวจสอบผ่าน การตกผลึกด้วย รังสีเอกซ์และนิวตรอน [ ^{41 ]}ในขณะที่สเปกโทรสโกปีเรโซแนนซ์แม่เหล็กนิวเคลียร์สามารถใช้ในการทำความเข้าใจโครงสร้างเฉลี่ยและการเคลื่อนที่ของไขมันในเยื่อหุ้มเซลล์^{ได้[ 40 ]}

วัสดุอ่อนมีความสำคัญในการใช้งานทางเทคโนโลยีที่หลากหลาย และวัสดุอ่อนแต่ละชนิดมักเกี่ยวข้องกับหลายสาขาวิชา ตัวอย่างเช่น ผลึกเหลวถูกค้นพบครั้งแรกในสาขาวิทยาศาสตร์ชีวภาพเมื่อนักพฤกษศาสตร์และนักเคมีFriedrich Reinitzerกำลังตรวจสอบคอเลสเตอรอล[ ^{10 ] อย่างไรก็ตาม}ปัจจุบันผลึกเหลวยังถูกนำไปประยุกต์ใช้เป็นจอแสดงผลผลึกเหลวตัวกรองแบบปรับได้ด้วยผลึกเหลวและเทอร์โมมิเตอร์ผลึกเหลว ผลึกเหลวแบบแอคทีฟเป็นอีกตัวอย่างหนึ่งของวัสดุอ่อน ซึ่งองค์ประกอบในผลึกเหลวสามารถขับเคลื่อนตัวเองได้^{[ 48 ]}

พอลิเมอร์มีการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่ยางธรรมชาติที่พบในถุงมือยาง ไป จนถึงยางวัลคาไนซ์ที่พบในยางรถยนต์ พอลิเมอร์ครอบคลุมวัสดุอ่อนนุ่มหลากหลายชนิด โดยมีการประยุกต์ใช้ในวิทยาศาสตร์วัสดุ ตัวอย่างเช่น ไฮโดรเจล ด้วยความสามารถในการลดความหนืดเมื่อ ถูกแรงเฉือน ไฮโดรเจลจึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการพัฒนาการพิมพ์3 มิติ^{[ 27 ]}เนื่องจากพฤติกรรมที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้า การพิมพ์ 3 มิติของไฮโดรเจลจึงมีการประยุกต์ใช้ในหลากหลายสาขา เช่นหุ่นยนต์อ่อนนุ่มวิศวกรรมเนื้อเยื่อและอิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่น^{[ 49 ]}พอลิเมอร์ยังครอบคลุมโมเลกุลทางชีวภาพ เช่น โปรตีน ซึ่งข้อมูลเชิงลึกจากการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุอ่อนนุ่มได้ถูกนำมาใช้เพื่อทำความเข้าใจหัวข้อต่างๆ เช่น การตกผลึกของโปรตีนได้ดียิ่งขึ้น^{[ 41 ]}

การพิมพ์ 3 มิติ/4 มิติของวัสดุอ่อนกำลังพัฒนา โดยมุ่งเน้นที่เทคนิคการพิมพ์ วัสดุประเภทต่างๆ และการใช้งานที่หลากหลายในด้านวิศวกรรมและเทคโนโลยี วิธีการพิมพ์ที่สำคัญ ได้แก่ การพิมพ์แบบอัดรีดและแบบอิงค์เจ็ท สเตอริโอลิโทกราฟี การเผาผนึกด้วยเลเซอร์แบบเลือก การเขียนหมึกโดยตรง และการพอลิเมอไรเซชันด้วยแสง VAT วัสดุอ่อนหลากหลายชนิดสำหรับการพิมพ์ 3 มิติ/4 มิติ ได้แก่ อีลาสโตเมอร์ ไฮโดรเจล พอลิเมอร์ที่เลียนแบบชีวภาพ วัสดุที่เป็นตัวนำและยืดหยุ่นได้ และวัสดุเลียนแบบชีวภาพแบบอิงค์เจ็ทสำหรับการใช้งานในด้านวิศวกรรมชีวการแพทย์ หุ่นยนต์อ่อน อุปกรณ์สวมใส่ สิ่งทอ เทคโนโลยีอาหาร และเภสัชกรรม การเปลี่ยนแปลงและข้อจำกัดยังคงมีอยู่ในการออกแบบที่ซับซ้อนทางเรขาคณิต ต้นทุน ความละเอียด ความเข้ากันได้ของวัสดุ ความสามารถในการขยายขนาด และข้อกังวลด้านกฎระเบียบ^{[ 50 ]}

โฟมสามารถเกิดขึ้นได้เองตามธรรมชาติ เช่นฟองบนเบียร์หรือสร้างขึ้นโดยเจตนา เช่น โดยเครื่องดับเพลิงคุณสมบัติทางกายภาพของโฟมส่งผลให้เกิดการใช้งานโดยอาศัยความหนืด^{[ 23 ]}โดยโฟมที่มีความแข็งและรองรับตัวเองได้ดีกว่าจะถูกนำมาใช้เป็นฉนวนหรือเบาะรองนั่งและโฟมที่มีความสามารถในการไหลจะถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมเครื่องสำอางเช่นแชมพูหรือเครื่องสำอาง^{[ 23 ]}นอกจากนี้ โฟมยังพบการใช้งานทางชีวการแพทย์ในด้านวิศวกรรมเนื้อเยื่อ เช่น โครงสร้างรองรับและไบโอเซนเซอร์^{[ 51 ]}

ในอดีต ปัญหาที่พิจารณาในยุคแรกเริ่มของวิทยาศาสตร์สสารอ่อนนั้นเกี่ยวข้องกับวิทยาศาสตร์ชีวภาพ ดังนั้น การประยุกต์ใช้ที่สำคัญของการวิจัยสสารอ่อนคือชีวฟิสิกส์โดยมีเป้าหมายหลักของสาขาวิชานี้คือการลดขอบเขตของชีววิทยาของเซลล์ให้เหลือเพียงแนวคิดของฟิสิกส์สสารอ่อน^{[ 20 ]}การประยุกต์ใช้คุณลักษณะของสสารอ่อนใช้เพื่อทำความเข้าใจหัวข้อที่เกี่ยวข้องกับชีววิทยา เช่น การเคลื่อนที่ของเยื่อหุ้มเซลล์^{[ 40 ]}รวมถึงการไหลของเลือด^{[ 36 ]}

สื่อที่เกี่ยวข้องกับสสารอ่อนในวิกิมีเดียคอมมอนส์

• การบรรยายโนเบลของปิแอร์-จิลส์ เดอ เกนส์
• กลุ่มเฉพาะเรื่องสสารอ่อนของสมาคมฟิสิกส์อเมริกัน (GSOFT)
• Softbites - บล็อกที่ดำเนินการโดยนักศึกษาปริญญาโทและนักวิจัยหลังปริญญาเอก ซึ่งทำให้เรื่องสสารอ่อนเข้าถึงได้ง่ายขึ้นผ่านบทความขนาดสั้นที่สรุปงานวิจัยเกี่ยวกับสสารอ่อนทั้งในปัจจุบันและในอดีต
• Softmatterworld.org
• Softmatterresources.com
• SklogWiki - วิกิที่อุทิศให้กับของเหลวอย่างง่าย ของไหลเชิงซ้อน และสสารควบแน่นแบบอ่อน
• เว็บไซต์ Soft Matter Wiki ของ Harvard School of Engineering and Applied Sciences - รวบรวม ตรวจสอบ และสรุปบทความวิชาการเกี่ยวกับวัสดุอ่อน (Soft Matter)
• วิศวกรรมวัสดุอ่อน - กลุ่มที่ทุ่มเทให้กับการศึกษาด้านวิศวกรรมวัสดุอ่อน ณ มหาวิทยาลัยฟลอริดา
• หน้า Google Scholar เกี่ยวกับสสารอ่อน