Physik weicher und biologischer Materie (Physikalisches Wahlpflichtfach)

Transkript

1 Physik weicher und biologischer Materie (Physikalisches Wahlpflichtfach) Prof. C. von Borczyskowski, Dr. J. Schuster, Dr. H. Graaf, Gastdozenten Montag, 15:30-17:00, 2/SR08 Vorlesung über 2 Semester (WS 06/07, SS 05) mit Übungen oder Seminar (n. V.) Kombination mit anderen WPF nach Absprache mit den Vorlesenden möglich Inhalt 1. Einführung (intermolekulare Wechselwirkungen, experimentelle Methoden) 2. Flüssigkeiten (Konzepte, Struktur, Flüssigkeiten an Grenzflächen) 3. Makromoleküle (Konzepte, Polymere, Blockkopolymere, Polyelektrolyte) 4. Amphiphile in Lösungen (Tenside, Lipide, Selbstorganisation, Mizellen, Membranen) 5. Kolloide (Suspensionen, kolloidale Kristalle) 6. Flüssigkristalle 7. Schäume, Gele, Elastomere 8. Biologische Materie Literatur: - Israelachvili: Intermolecular and Surface Forces - Daoud/Williams: Soft Matter Physics - Hamley: Introduction to Soft Matter - Jones: Soft Condensed Matter - Kleman/Lavrentovich: Soft Matter Physics - Doi: Introduction to Polymer Physics

2 Physik weicher und biologischer Materie Physikalisches Wahlpflichtfach Prof. von Borczyskowski, Dr. Schuster, Dr. Graaf, Gastdozenten Montag, 15:30-17:00, 2/SR8 (Weinholdbau) Für Studenten der Physik, Chemie, Computational Science und andere Interessierte ab 5. Semester Wintersemester: Block I: Sommersemester: Block II: Einführung, Flüssigkeiten, Amphiphile und Membranen Transport in biologischen Systemen (Membranen, Molekulare Motoren, Photosynthese) Polymere, Kolloide Biologische Strukturen (Proteine, DNA, Zellen)

3 Vorlesungsplan Wintersemester 2006/ Einführung/ Beispiele Wechselwirkungen, Dynamik, Struktur, Selbst- Organisation Methoden (optische Verfahren,Streuverfahren, Mikroskopie) Flüssigkeiten Flüssigkeiten Flüssigkeiten Flüssigkeiten Amphiphile Amphiphile Amphiphile Amphiphile Block: Transport in biologischen Systemen

4 Was ist weiche Materie? SOFT MATTER Nobel Lecture, December 9, 1991 by PIERRE-GILLES DeGENNES College de France, Paris,France What do we mean by soft matter? Americans prefer to call it complex fluids. This is a rather ugly name, which tends to discourage the young students. But it does indeed bring in two of the major features: I) Complexity. We may, in a certain primitive sense, say that modern biology has proceeded from studies on simple model systems (bacterias) to complex multicellular organisms (plants, invertebrates, vertebrates...). Simi-larly, from the explosion of atomic physics in the first half of this century, one of the outgrowths is soft matter, based on polymers, surfactants, liquid crystals, and also on colloidal grains. 2) Flexibility. I like to explain this through one early polymer experiment, which has been initiated by the Indians of the Amazon basin: they collected the sap from the hevea tree, put it on their foot, let it dry for a short time. And, behold, they have a boot. From a microscopic point of view, the starting point is a set of independent, flexible polymer chains. The oxygen from the air builds in a few bridges between the chains, and this brings in a spectacu-lar change: we shift from a liquid to a network structure which can resist tension - what we now call a rubber (in French: caoutchouc, a direct transcription of the Indian word). What is striking in this experiment, is the fact that a very mild chemical action has induced a drastic change in mechanical properties: a typical feature of soft matter.

5 Was ist Weiche Materie? DIETER RICHTER Jülich Komplexe Materialien auf mesoskopischer Skala Weiche Materie ist komplex,ihr Zustand liegt zwischen fest und flüssig.so unterschiedlich Weiche-Materie-Systeme sind, sie haben Eines gemeinsam:auf der mesoskopischen Skala zwischen Nano-und Mikrometern weisen sie Strukturen auf,die ihr Verhalten bestimmen.

6 Was ist Weiche Materie? Längenskalen: Nano- bis Mikrometer Fluktuationen, Brownsche Bewegung Sellbst organisation (Self-assembly) Fractale, Percolation

7 Längen- und Zeitskalen

8 Mesoskopische Längenskalen

9 Struktur und Wechselwirkung

10 Scherung von Festkörpern

11 Materialien Flüssigkeiten Flüssigkristalle Polymere/Blockkopolymere Vesikel/Mizellen/Membrane Gele/Schäume/Elastomere Kolloide Biomaterialien

12 Anwendungen Kunststoffe Funktionsmaterialien Opto-Elektronik (Displays, LEDs,opt. Leiter) Bio- Materialien Tenside/Seifen Benetzung/Coating

13 Experimental Setup - Video Microscopy notch-filter I-CCD lense Wollaston prism microscope objective sample substrate circular polarized - intensified frame transfer CCD (Pentamax) - intensified - exposure frame times down transfer to 5 CCD ms (Pentamax) - exposure - frame rate time 100 down fps to 2 ms - frame - 50 nm rate positional up to 100 accuracy fps (10 ms) - <50 nm positional accuracy - excitation up to nm Frank Cichos: Optical Single Spectroscopy Molecules Probing and Diffusion Molecular in Ultrathin Physics Liquid Films

14 13 µm Example & Analysis <r(t) 2 > D = 1 4 lim dr(t)2 t dt time t one D from one trajectory from weighted linear fit Frank Cichos: Optical Single Spectroscopy Molecules Probing and Diffusion Molecular in Ultrathin Physics Liquid Films

15 Results - Spot Size Traces 25 exchange between molecular layers 4 nm TEHOS 20 region A B t [s] 13 µm Frank Cichos: Optical Single Spectroscopy Molecules Probing and Diffusion Molecular in Ultrathin Physics Liquid Films

16 Results - Attachment Periods t att t free t free... frequency of trapping t att... trapping lifetime t [s] 13 µm Frank Cichos: Optical Single Spectroscopy Molecules Probing and Diffusion Molecular in Ultrathin Physics Liquid Films

17 Simulation of Structure and Diffusion Frank Cichos: Optical Single Spectroscopy Molecules Probing and Diffusion Molecular in Ultrathin Physics Liquid Films

18 Motion between Layers - Effective Potential Model Potential MD Simulation TEHOS/Si W pot (z) thin film thick film ~300 mev W pot (z) ev frozen Layer? liquid Layers z [Å] Frank Cichos: Optical Single Spectroscopy Molecules Probing and Diffusion Molecular in Ultrathin Physics Liquid Films

19 Lotus - Effekt

20 Tropfenformen

21 Oberflächenstruktur

22 Lotus - Benetzung

23

24 Oberflächenbenetzung

25 Jesus geht auf dem See von Galiläa Matthäus 14:22-33 Markus 6:45-52 Johannes 6:16-21m

26

27 Grenzflächen

28 Tropfenbildung

29 Tropfenbildung

30 Benetzung

31 Polymerkette

32 Polymerfaltung

33

34 Struktur und Wechselwirkung

35 Block - Kopolymere

36 Musterbildung

37 Polymer - Strukturbildung

38 Vernetzung

39 Fließender Schaum (Barriere)

40 Fließender Schaum (Öffnung)

41 Lipide

42 Lipide Membran Vesikel

43 Lipidstrukturen

44 Kolloide - Viren

45 Aggregat-Wachstum / Fraktale Strukturen

46 Virusinfektion Bräuchle, LMU München 1:Kontakt 2:Tasten 3: Eindringen 4:Infektion Frank Cichos: Optical Single Spectroscopy Molecules Probing and Diffusion Molecular in Ultrathin Physics Liquid Films

47 Optische Pinzette

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49 Elektronische Nanowelt Miniaturisierung und Verwendung organischer Materialien Künstliche lokale Unordnung H. Gao, Phys. Rev Letters 2000 Optical Spectroscopy and Molecular Physics Frank Cichos: Single Molecules Probing Diffusion in Ultrathin Liquid Films

50 Biologische Nanowelt

51 Proteinmembran

52 Flüssigkristalle

53 Flüssigkristalle

54 Fixierung mit optischer Pinzette

55 Optische Pinzette - Strecken

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57

58 Stoma Guard Cell Mesophyl Cell Vein Gas

59 BASIC PRIMARY PHOTOSYNTHETIC EVENTS

60 Chlorophyll a Chlorophyll b

61 Grana Stroma

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64 LIGHT-HARVESTING HARVESTING ANTENNA COMPLEX BChl LH2

65 Primäres Reaktionszentrum

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68 Nanometer - Motoren

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