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
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)
Vorlesungsplan Wintersemester 2006/07 09. 10. Einführung/ Beispiele 16. 10. Wechselwirkungen, Dynamik, Struktur, Selbst- Organisation 23. 10. Methoden (optische Verfahren,Streuverfahren, Mikroskopie) 30. 10. Flüssigkeiten 06. 11. Flüssigkeiten 13. 11. Flüssigkeiten 20. 11. Flüssigkeiten 27. 11. Amphiphile 04. 12. Amphiphile 11. 12. Amphiphile 18. 12. Amphiphile 08. 01. - Block: Transport in biologischen Systemen 29. 01.
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.
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.
Was ist Weiche Materie? Längenskalen: Nano- bis Mikrometer Fluktuationen, Brownsche Bewegung Sellbst organisation (Self-assembly) Fractale, Percolation
Längen- und Zeitskalen
Mesoskopische Längenskalen
Struktur und Wechselwirkung
Scherung von Festkörpern
Materialien Flüssigkeiten Flüssigkristalle Polymere/Blockkopolymere Vesikel/Mizellen/Membrane Gele/Schäume/Elastomere Kolloide Biomaterialien
Anwendungen Kunststoffe Funktionsmaterialien Opto-Elektronik (Displays, LEDs,opt. Leiter) Bio- Materialien Tenside/Seifen Benetzung/Coating
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 12 mw @ 514 nm Frank Cichos: Optical Single Spectroscopy Molecules Probing and Diffusion Molecular in Ultrathin Physics Liquid Films
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
Results - Spot Size Traces 25 exchange between molecular layers 4 nm TEHOS 20 region A B 15 10 5 0 4 6 8 10 t [s] 13 µm Frank Cichos: Optical Single Spectroscopy Molecules Probing and Diffusion Molecular in Ultrathin Physics Liquid Films
Results - Attachment Periods 9 8 7 6 5 t att t free t free... frequency of trapping t att... trapping lifetime 12 11 10 9 0 2 4 6 8 10 12 t [s] 13 µm Frank Cichos: Optical Single Spectroscopy Molecules Probing and Diffusion Molecular in Ultrathin Physics Liquid Films
Simulation of Structure and Diffusion Frank Cichos: Optical Single Spectroscopy Molecules Probing and Diffusion Molecular in Ultrathin Physics Liquid Films
Motion between Layers - Effective Potential Model Potential MD Simulation TEHOS/Si W pot (z) thin film thick film 0.04 0.02 ~300 mev W pot (z) ev 0-0.02 frozen Layer? liquid Layers -0.04 0 10 20 30 40 50 60 z [Å] Frank Cichos: Optical Single Spectroscopy Molecules Probing and Diffusion Molecular in Ultrathin Physics Liquid Films
Lotus - Effekt
Tropfenformen
Oberflächenstruktur
Lotus - Benetzung
Oberflächenbenetzung
Jesus geht auf dem See von Galiläa Matthäus 14:22-33 Markus 6:45-52 Johannes 6:16-21m
Grenzflächen
Tropfenbildung
Tropfenbildung
Benetzung
Polymerkette
Polymerfaltung
Struktur und Wechselwirkung
Block - Kopolymere
Musterbildung
Polymer - Strukturbildung
Vernetzung
Fließender Schaum (Barriere)
Fließender Schaum (Öffnung)
Lipide
Lipide Membran Vesikel
Lipidstrukturen
Kolloide - Viren
Aggregat-Wachstum / Fraktale Strukturen
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
Optische Pinzette
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
Biologische Nanowelt
Proteinmembran
Flüssigkristalle
Flüssigkristalle
Fixierung mit optischer Pinzette
Optische Pinzette - Strecken
Stoma Guard Cell Mesophyl Cell Vein Gas
BASIC PRIMARY PHOTOSYNTHETIC EVENTS
Chlorophyll a Chlorophyll b
Grana Stroma
LIGHT-HARVESTING HARVESTING ANTENNA COMPLEX BChl LH2
Primäres Reaktionszentrum
Nanometer - Motoren