Universal behavior of structure and dynamics of soft matter systems

Mjuka material, eller "soft matter" på engelska, finns överallt tunt om kring oss. De är en viktig del av vår vardag och våra liv i mobiltelefonen, i maten och inte minst i våra kroppar. Till mjuka material räknas polymerer, glas, vätskor, geler, kolloider, lipidmembran och proteiner. Det är polymergel-baserade batterier som gör att vi kan surfa och prata länge i mobiltelefonen, vi äter bakelser dekorerade med gelatin, och det är membran byggda av fosfolipider som avgränsar våra celler. Trots att mjuka material är så vanligt förekommande finns det många grundläggande fenomen som ännu inte kunnat förklaras. En starkt bidragande orsak är att mikrostrukturen, dvs hur atomer och molekyler sitter i materialet, i dessa material är oordnad vilket väsentligt försvårar både tolkning av experimentella data och teoretiska beräkningar. Dessutom är egenskaperna beroende av processer som sker över stora tids- och längdskalor. Från ultrasnabba vibrationer på atomskalan till långsamma rörelser av hela polymerkedjor eller proteiner. Trots att många olika typer och kombinationer av material ingår i kategorin mjuka material kan man hitta egenskaper som är universella, dvs gäller för alla (eller iallfal många) material. Ett exempel är likheten mellan gelering och glasbildning. Ett glas bildas då en vätska blir underkyld, det vill säga då man kyler den tillräckligt snabbt för att undvika kristallisation. I den underkylda vätskan blir molekylernas rörelser allt långsammare då temperaturen sjunker och slutligen blir rörelserna så långsamma att man får ett fast material, ett glas. Vid gelering har man en liknande process, där man har en omvandling från en vätska, en så kallad sol, till en fast fas, en gel. Vanligen bildas glas med ändrad temperatur men man kan också bilda glas genom att ökat tryck. På samma sätt kan gelering styras av andra parametrar som ändrad koncentration eller pH-värde såväl som temperatur. Nyligen har man funnit flera gemensamma nämnare mellan glasbildning och gelering. Kanske är de resultatet av samma eller liknande underliggande fysikaliska processer? Detta forskningsprogram syftar just till att öka förståelsen kring den mikroskopiska dynamiken och strukturen hos mjuka material och till att förklara hur generella egenskaper beror av de interaktioner som styr ett mjukt materials uppförande. I vår forskning väljer vi att studera molekylära och kolloidala system (partiklar i en vätska) där vi systematiskt kan variera växelverkan genom att ändra molekylers struktur, materialets sammansättning, eller ytan på partiklar. Målet är att genom en ökad förståelse kunna förutsäga egenskaper och uppförande hos komplexa mjuka material. Med sådan kunskap kan material designas direkt för en specifik tillämpning. I forskningsprogrammet studerar vi speciellt övergången mellan vätska och fast fas hos mjuka material, precis som glasbildning och gelering och hur grundläggande molekylära vibrationer, ljudvågor, ser ut i en oordnad struktur. Dessa frågor är viktiga för att till exempel kunna öka stabiliteten hos läkemedel, säkerheten hos batterier, design av lågkalorilivsmedel och transport av molekyler genom ett cellmembran. För att finna svaren på dessa frågor använder vi oss av en mängd komplementära avancerade experimentella metoder. Experiment genomförs dels i laboratorier på Chalmers, främst med laserspektroskopiska tekniker, och dels vid forskningsanläggningar för neutron och synkrotronljusexperiment utomlands (Frankrike, Tyskland, Storbrittanien och Japan). Vid dessa anläggningar finns unika instrument som en enskild forskare eller forskargrupp inte skulle kunna bekosta eller driva. Istället har ett antal länder gått samman för att dess forskare ska få tillgång till dessa unika tekniker. Därför är det naturligt med ett starkt internationellt samarbete i denna typ av forskning. Det vi lär oss från våra grundläggande studier av mjuka material stannar inte inom grundforskningen utan överförs också till forskningsprojekt med en inriktning mot materialens funktionalitet och till utbildningen av civilingenjörer och doktorer vid Chalmers. Detsamma gäller många av de avancerade experimentella tekniker som vi använder oss av. Därigenom kommer även den mest grundläggande forskningen samhället till nytta.

Participants

Aleksandar Matic (contact)

Professor vid Chalmers, Physics, Condensed Matter Physics

Funding

Swedish Research Council (VR)

Funding Chalmers participation during 2014

More information

Created

2015-02-27