أظن أن جميع التصنيفات تقريبًا لها حدود متداخلة حيث يوجد كيان لا ينتمي إلى هذه الفئة أو تلك، وربما يكون مزيجًا من الاثنتين. وعادةً ما تكون الحدود المتداخلة مجالات جاذبة لاهتمام كبير، حيث تكمن الخواص المثيرة للاهتمام وحيث ينبع فهم جديد وتقنيات جديدة أيضًا. وثمة نوعان من الحدود التي تهم علماء الكيمياء الفيزيائية، أحدهما حيث يلتقي السائل بالغاز والآخر حيث يلتقي السائل بالمادة الصلبة.

يلتقي السائل بالغاز بطريقة مثيرة للاهتمام وعند النقطة الحرجة» للمادة. ولتقدير أهمية تلك النقطة، تخيل سائلا وبخاره في حاوية صلبة مغلقة بإحكام؛ سنتخيل أنها شفافة بحيث يتسنى لنا رؤية ما يحدث بداخلها عند تسخينها، يتبخر السائل وبالتالي تزداد كثافة البخار فوقه. وستأتي مرحلة تتوافق عندها كثافة البخار مع كثافة السائل ويختفي السطح بينهما. هذه هي النقطة الحرجة. المادة الموجودة في الحاوية لا تكون سائلًا أو غازا؛ وإنما «مائع فوق حرج». ولهذا المائع كثافة مماثلة لكثافة السائل ولكنه يملأ الحاوية التي يشغلها، مثل الغاز.

والموائع فوق الحرجة مثيرة للاهتمام حقًّا ليس فقط لخواصها الجوهرية ولكن لاحتمالية أن تكون مذيبات أيضًا. ومن الموائع فوق الحرجة الأكثر خضوعا للدراسة ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج، scCO₂ ، بوصفه مذيبًا غير ضار وصديق للبيئة للكثير من المركبات العضوية ويمكن التخلص منه دون إحداث أي تلوث ببساطة من خلال السماح له بالتبخر. يوجد ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج عند درجة حرارة 31 درجة مئوية تقريبًا وضغط يصل إلى 73 ضغط (1 ضغط جوي جوي هو الضغط الجوي الطبيعي عند مستوى سطح البحر).

يُعد ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج محور اهتمام عدد متزايد من العمليات القائمة على المذيبات. إن الخواص الناقلة الخاصة بأي من هذه الموائع لزوجته وموصليته الحرارية، على سبيل المثال تعتمد بشدة على كثافته، التي تتأثر بدورها بالضغط ودرجة الحرارة: يمكن تعديل كثافة ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج من كثافة شبيهة بكثافة الغاز 0.1 جرام لكل سنتيمتر مكعب إلى كثافة شبيهة بكثافة السائل 1.2 جرام لكل سنتيمتر مكعب. وتعتمد قابلية ذوبان المادة المذابة بشكل كبير على كثافة المائع فوق الحرج، لذا فإن الزيادات الطفيفة في الضغط، خاصة بالقرب من النقطة الحرجة، يمكن أن تكون لها تأثيرات كبيرة جدًّا على القابلية للذوبان.

يلعب علماء الكيمياء الفيزيائية دورًا مهما في تحديد الظروف التي بموجبها يمكن اعتبار إحدى المواد مادة فوق حرجة ويُعد استكشاف خواص هذه الموائع والعمليات التي تحدث فيها مجالًا بحثيًّا واعدًا. الماء نفسه يمكن أن يكون من المواد فوق الحرجة؛ إلا أن الظروف (حوالي 374 درجة مئوية و 218 ضغط جوي) مواتية على نحو أقل بالنسبة إليه لكي يكون كذلك مقارنة بثاني أكسيد الكربون إلا أنه مجال مثير للاهتمام بشدة للاستكشاف التجريبي والنظري.

لقد صار علماء الكيمياء الفيزيائية مهتمين للغاية بـ «المادة اللينة» (والتي يُطلق عليها أيضًا «الموائع المعقدة» التي تقع من حيث الطابع بين المواد الصلبة الصلدة والسوائل. ويندرج الكثير من المواد البوليمرية تحت هذا النوع، كما هي الحال مع الطلاءات السطحية، والمواد اللاصقة، والرغويات والمستحلبات، والكثير من المواد البيولوجية.

تعد «البلورات السائلة» – التي هي أحد أشكال المادة اللينة – مادة مألوفة في مجال أجهزة العرض الإلكترونية. فهي تشكل ما يُعرف باسم حالة «طور متوسط» للمادة والتي لها خواص متعلقة بكل من السوائل والمواد الصلبة على حد سواء. ولرؤية البلورات السائلة في السياق، تذكر أنه يوجد في المادة الصلبة ترتيب طويل المدى: صف متراص يعقب صفًا متراصًا حتى حافة البلورة على النقيض من ذلك، للسائل ترتيب قصير المدى فحسب: ثمة بنية متوقعة للغلاف الأول للجزيئات حول الجزيء المحوري، ويقل التوقع في الغلاف التالي، ويكاد لا تكون هناك أية بنية لأغلفة الجزيئات الأبعد. وفي البلورة السائلة، يوجد ترتيب طويل المدى في بعد واحد أو بعدين؛ ولكن هناك ترتيبًا قصير المدى في البعد المتبقي. على سبيل المثال، في أحد أنواع البلورات السائلة توجد الجزيئات الرفيعة الطويلة في مستوى بنمط منتظم، ولكن المستويات الموازية بالأعلى والأسفل توجد في اتجاهات يبدو أنها لا ترتبط كثيرًا بذلك المستوى المحوري (انظر شكل 4–6).

للبلورات السائلة خواص بصرية جذابة، كما قد يُستنتج من استخدامها في أجهزة العرض البصرية وعلى عكس السوائل، فإن لها أيضًا خواص لزجة وميكانيكية تعتمد على الاتجاه. ويُعنى علماء الكيمياء الفيزيائية بشدة بتطوير أنواع مختلفة من خواص البلورة السائلة وتحديد الخواص الديناميكية الخاصة بالجزيئات داخل الطبقات وبينها. كما يمتد أثر هذا النوع من التجريب إلى علم الأحياء، نظرًا إلى أن البلورات السائلة مشابهة جدًّا للأغشية التي تغلف خلايا الكائنات الحية، وفيها خلايانا.

إحدى الفئات الكبرى من المواد التي تنتمي إلى فئة «المواد اللينة» هي البوليمرات، مثل البولي إيثيلين والنايلون وجميع أشكالها المتطورة. تُعد البوليمرات مجالاً رائعًا وخصبًا

شكل 4–6: في أحد أشكال البلورة السائلة (الطور الخيطي») ، تصطف الجزيئات في صفوف مرتبة في كل مستوى، ولكن تحظى المستويات المجاورة باتجاهات مختلفة.

لعلماء الكيمياء الفيزيائية نظرًا إلى تنوع بنيتها وخواصها على نحو كبير. فهي تتنوع تنوعًا ميكانيكيا من المادة الصلبة إلى المادة السائلة، وتتنوع كهربائيا من عازل إلى موصل، وتتنوع بصريا أيضًا. وتُعدل بعض خواصها عن طريق تطبيق المجالات الكهربائية. إنها تمثل تحديات في توصيفها، مثل أوزانها الجزيئية، وانتشار الأوزان الجزيئية في العينة، والطريقة التي قد تتكور بها وتتحول إلى كرات محكمة أو تنبسط وتنفرد إلى خيوط طويلة، وطول سلاسل البوليمر وهيئاتها.

مواضيع ذات صلة

قاعدة الطور

الغليان والتجمد

الحالة الصلبة

الحالة السائلة

الحالة الغازية

منظور إحصائي

التفاعلات الجزيئية

المادة من الخارج

الرابطة التساهمية

الرابطة الأيونية

Chemical kinetics

The Relation of Physics to Chemistry