Наука о мягкой (мягкотельной) материи — это относительно новая область исследований, описывающая материалы, которые существуют в агрегатных состояниях материи, находящихся между обычной жидкостью и кристаллическим твердым веществом, то есть в мезофазах. При этом такие мягкотельные материалы могут легко изменять свои физические свойства в ответ на механическое, тепловое или электромагнитное воздействие (например, пьезоэлектричество) (Hirst, 2013).
Их внутренняя структурная организация может варьировать между мезофазами, которые на первый взгляд выглядят дезорганизованными, но на самом деле обладают высокой степенью самоорганизующегося упорядочения (Wu et al., 2017).
При этом чувствительность мягкотельных материалов и структур к физическим стимулам не является постоянной величиной, а сильно изменяется в зависимости от скорости применения фазовых сдвигов — от быстрого переключения до более медленных вязкоупругих изменений. Более того, эти переходы — как между агрегатными состояниями, так и между динамическими поведениями — обратимы.
Теории мягкотельной материи описывают целый ряд важных феноменов — материальные свойства полимеров, поверхностно-активных веществ, коллоидов и жидких кристаллов и, соответственно, биологических структур, начиная от более жидкой клеточной цитоплазмы, крови, слюны и кукурузного крахмала (Brown & Jaeger, 2014; Noel et al., 2017), а также высокоупорядоченную жидкокристаллическую природу веретена митотической клетки (Brugués & Needleman, 2014), клеточных мембран (Palestini et al., 2011; Tschierske et al., 2012), коллагена и паучьего шелка (Knight & Vollrath, 2002; Charvolin & Sadoc, 2012), структур, которые производят яркие радужные цвета на крыльях и глазах бабочек и жуков (Kinoshita & Yoshioka, 2005) (рис. 2.4C).
Но самое главное для нас то, что именно понятийный аппарат и инструментарий теорий «мягкотельной материи» особенно информативен для понимания и исследования биологических мягких тканей, из которых состоит организм человека и животных, включая кости (Ho, 2006; Schleip et al., 2012; Tozzi, 2015a; 2015b).
Квазикристаллы (Lord et al., 2006; Barber, 2017) представляют собой высокоупорядоченные апериодические структуры, которые относятся к мягкой материи, полностью заполняя двухмерное и трехмерное пространство. Однако они не обладают трансляционной симметрией и часто включают в себя мозаичные структуры золотого сечения и узоры мозаики Пенроуза, являющиеся неотъемлемой частью их организации (в зависимости от того, как определяется термин «квазикристалл») (Caspar & Fontano, 1996). Изначально описанные в мультисимметричной организации атомов в металлических сплавах квазикристаллические структуры теперь обнаружены и в минеральных кристаллах (Pina & López-Avecedo, 2016) (рис. 2.17C), сферических вирусах, различных фазах воды (Johnston et al., 2010), коллоидах, мицеллах (Zeng et al., 2004), мембране и икосаэдре мягкой материи (Engel et al., 2015).
В действительности квазикристаллы могут потенциально иметь любую симметрию в любом количестве измерений, и любой квазипериодический паттерн точек может быть сформирован из некоторого периодического паттерна более высокого измерения; однако, чтобы оценить все значение этого многомерного мира, мы должны сначала взглянуть на тот знакомый мир, который нас окружает.