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La materia blanda comprende varios sistemas físicos que son familiares para nosotros, como los polímeros, los coloides, las membranas biológicas, la materia activa, los geles, entre otros. Este es un estado intermedio de la materia condensada que es fácilmente deformable usando pequeños esfuerzos mecánicos o cambios en la temperatura. El comportamiento de la materia blanda es diferente a como responde el agua o los sólidos bajo estos cambios. En la materia blanda podemos observar que las moléculas presentan un aparente desorden si la vemos a nivel molecular, pero a grandes escalas son sistemas ordenados. Al aplicar estímulos físicos, estas estructuras responden colectivamente y pueden cambiar drásticamente. Para explicar estos cambios debemos recordar o repasar cómo la materia cambia con la temperatura y la presión. Veremos los diferentes estados de la materia, sus fases, sus fases no clásicas y sus estados intermedios, como la materia blanda.

La materia en la naturaleza se manifiesta principalmente en cuatro formas muy características: sólido, líquido, gaseoso y plasma. Ejemplos de ellos son el acero, las rocas, la madera, las paredes de concreto y una larga lista de materiales que podemos clasificar como sólidos. El agua, el mercurio, el bromo, la sangre, la miel son algunos ejemplos de líquidos. Como gas encontramos al aire, el hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno, el cloro, el flúor, el ozono, el gas natural y los gases nobles. El plasma lo podemos ver en forma de relámpagos, auroras boreales, el gas encerrado en los focos fluorescentes, estrellas y las colas de los cometas. Para clasificar la materia en términos científicos, podemos decir que el sólido es materia condensada debido a que las componentes que las forman, ya sean átomos o moléculas, están muy cercanos unos a otros, están fuertemente amarrados (ligados es el término más usual) y se requieren fuerzas muy grandes para separar sus componentes. El líquido es también materia condensada, pero sus componentes no están tan fuertemente amarrados y se pueden desprender fácilmente (podemos separar muy fácilmente el agua a diferencia de intentar separar el acero). En el gas, sus componentes no están amarrados y son libres de moverse, como un gran avispero, de tal forma que el gas se puede expandir tanto que consigue llenar el contenedor más grande en el cual se meta (Figura 1).

Figura 1. Estados de la materia. Arreglo de un sólido, líquido en un contenedor y gas en un contenedor. Las esferas rojas pueden representar
a los constituyentes de la materia, ya sea en forma de átomos o moléculas.

El plasma lo podemos encontrar cuando en un gas están presentes átomos o moléculas cargadas. Entonces, a partir del estado gaseoso y al incorporar cargas en forma de moléculas o átomos del gas, podemos lograr obtener un plasma. Por ejemplo, el Sol, la estrella más cercana a la Tierra, es un plasma. Cuando generamos un campo eléctrico en un gas confinado podemos generar un plasma (hoy en día podemos adquirir un juguete decorativo para generarlo. Figura 2). La presencia de cargas en el plasma lo hace conductivo, haciéndolo muy susceptible a campos electromagnéticos. Las auroras boreales son un ejemplo de plasma confinado por el campo magnético terrestre.

Figura 2. El plasma. Se puede confinar un gas en una esfera, en donde se instala un dispositivo capaz de generar carga. El gas se ioniza y se
manifiesta como un plasma, los pequeños rayos de color morado que al descargar en la superficie interna de la esfera se ve color naranja.

Como nos dimos cuenta, las formas en que la materia aparece en la naturaleza, o como mejor se dice, sus estados, pueden generarse unos de otros. Es decir, un sólido como el fierro o el acero, los podemos calentar al punto que se derriten y pasarían a su estado líquido; si aumentamos aún más la temperatura, podemos separar las moléculas y átomos de tal manera que se liberan de sus amarres y se convertirán en gas. De igual manera, podemos reducir la temperatura y hacer que los gases se condensen (esto es, hacer que las moléculas se acerquen de modo que se formen enlaces entre ellos) para formar un líquido, lo que se conoce como licuar los gases. El caso más común que todos conocemos es el agua: la enfriamos a 0 °C para formar hielos o la calentamos a 100 °C para pasarla de su estado líquido a gaseoso.

Técnicamente, a los estados de la materia se les llama fases y pasar de una fase de la materia a otra se le conoce como transiciones de fase. Para todos los materiales que conocemos, se les ha determinado a qué temperatura pueden pasar de una fase a otra y en la mayoría de los casos es posible pasar de un estado sólido a gaseoso, sin pasar por su fase líquida (sublimación), y viceversa (Figura 3).

Figura 3. Transiciones de fase entre las diversas fases de la materia. Estas transiciones se logran cambiando la temperatura y/o presión
de los materiales, estos procesos son usados con diferentes propósitos, el más común es extraer energía de ellos.

Hay otras fases de la materia conocidas como fases no-clásicas de la materia, a saber: el cristal líquido, el vidrio, los cristales plásticos, la materia ordenada magnéticamente y los materiales con arreglos periódicos nanoestructurados, llamados materiales separados en micro fases como los líquidos iónicos. Los que aparecen bajo condiciones físicas muy específicas, por ejemplo, el cristal líquido, el vidrio y bajo condiciones extremas, los podemos encontrar en fases como la superconductividad, los superfluidos, el condensado de Bose-Einstein, etc. Las fases más usuales son las que nos encontramos en la vida diaria y, por ende, nos interesa mucho su comportamiento. En este escrito hablaremos de una de esas fases que es una fase intermedia de la materia condensada: la materia blanda condensada.

 

 Pero, ¿qué es la materia blanda?

La materia blanda es una clase de materia condensada que se manifiesta en diferentes sistemas físicos, los cuales pueden ser deformados o modificados estructuralmente por pequeños cambios en la temperatura o al someterlos a cambios mecánicos muy pequeños. Ejemplo de ello son los coloides (como la mayonesa), polímeros (como el caucho), esponjas, materia granular, membranas, geles, espuma y sistemas biológicos como las células y sus constituyentes.

Las dimensiones de los componentes (los llamaremos macromoléculas) de los materiales blandos se expanden desde nanómetros hasta micrómetros, pudiendo llegar hasta sub-milímetros. Si estas macromoléculas están suspendidas en agua, las moléculas de agua golpean constantemente a las macromoléculas, haciendo que estas se muevan azarosamente en el medio, lo que se conoce como movimiento Browniano. Este constante golpeteo que sienten las macromoléculas, hace que las partículas se difundan, «explorando sus alrededores», logrando con ello ponerse en contacto con otras macromoléculas y enlazarse o auto ensamblarse para formar estructuras más complejas como polímeros, membranas biológicas, geles, etc. Las estructuras formadas de esta manera la llamamos materia blanda, cuya característica principal es que cambia de forma al someterse a fluctuaciones térmicas.

Para darnos una idea de la fuerza necesaria para deformar estos objetos, podemos pensar que si tenemos enfrente de nosotros una membrana biológica formada por sus macromoléculas (fosfolípidos), la presión ejercida por el aire al momento de que leemos este texto en voz alta, es suficiente para deformarla. En el laboratorio, podemos crear sistemas autoensamblados usando moléculas biológicas obtenidas de la membrana plasmática de células eucariotas, llamados fosfolípidos. Cuando a estas moléculas se les incorpora agua, debido a que tienen una propiedad llamada anfifílica —una parte de la molécula es polar y otra no-polar, en otras palabras, a una parte de la molécula le gusta estar en el agua y la otra parte se esconde del agua—, se auto ensamblan en estructuras que van desde micelas, membranas planas, vesículas y esponjas, todo dependiendo de la concentración de fosfolípidos que se usen.

Las células son fácilmente deformables, por lo cual, la célula y todos sus constituyentes se consideran materia blanda. El área de la física, llamada biofísica, se encarga del estudio de, entre otras cosas, la célula. Esto es, la biofísica es el estudio de la complejidad de los sistemas vivos usando los métodos de la física. Dado que un físico emplea y diseña modelos matemáticos para entender el comportamiento de la materia blanda, estos son fácilmente empleados para modelar, por ejemplo, el ensamblado de los ácidos nucleicos del ADN, la predicción de un ensamblaje de proteínas, la polimerización de la actina y microtúbulos, la formación de vesículas, el movimiento celular, entre otras áreas. Un campo muy interesante de la materia blanda es la materia activa, la cual se diferencia de la materia blanda en que convierte energía local en energía cinética. Por ejemplo, las bacterias consumen carbono y oxígeno para nadar en el medio que se encuentran, mientras que los coloides (los llamados «coloidal surfers») consumen peróxido de hidrógeno para auto impulsarse. Estos interactúan para formar un flujo de materia viva los cuales se están usando en experimentos para generar energía al aprovechar estos flujos de manera controlada.

En la actualidad, las compañías petroleras buscan a científicos formados en la materia blanda para, por ejemplo, mejorar los métodos de refinamiento, como los procesos de transporte de petróleo en medios porosos. En compañías de cosméticos y de limpieza, también tienen un espacio para trabajar, dado que sus productos son coloides que por definición es materia blanda. El área de la biomedicina es otra disciplina en la que los científicos de la materia blanda pueden laborar, ya que logran trabajar en el modelado de auto ensamblado de la cápside de los virus, que se usan como transporte de fármacos o ciertas moléculas para realizar determinadas labores en las células.

Espero que este escrito estimule a los lectores a saber más de este estado de la materia y, en su caso, a estudiar esta área de la física: la materia blanda.

Para Saber más: 

Méndez, J.M. (s.f.). Materia condensada blanda. Cinvestav, Departamento de Física, 21 p. https://www.fis.cinvestav.mx/~jmendez/MCB.pdf

Selinger, J. (2016). Introduction to the theory of soft matter, from ideal gases to liquid crystals. New York: Springer. ISBN: 978-3-319-21054-4

 

Said Aranda-Espinoza. Laboratorio de Materia Blanda y Biofísica, Instituto de Física, Universidad Autónoma de San Luis Potosí, S.L.P., México.

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