1. 1. 概説概説

1. 複 系としての側面2. 構造の階層性3. メゾ（ナノ）スケールの構造4. 代表的な実験手法5. 分子6. コロイドと両親媒性物7. 液晶

複 系としての側面複 系としての側面

生物細胞

生体膜

原子分子

結晶

液体と固体液体と固体

固体：弾性＝外力により「変形」する

液体：粘性＝外力により「流れる」

複 流体：粘弾性＝弾性体としての性 と流体としての性

構造の階層性構造の階層性

10-10 10-8 10-6 10-4

micro-scaleeso mesoeso-scalea maacro-scale

m

メゾ（ナノ）スケールの物理メゾ（ナノ）スケールの物理

10-10 10-8 10-6 10-4 m

22 /~/ dxti yy -∂∂∂h

xdtxd -~/ 22

)(~/ tdtdx x

量子力学古典力学

現象論的理

ゆらぎとエネルギー散逸

「ソフトマターの物理」の特徴「ソフトマターの物理」の特徴

構造の階層性マクロ＞μmメゾ~10nmミクロ＜nm

動的振舞い平衡揺らぎ平衡構造

熱統 力学

量子力学

現象論的アプローチ

熱力学

平衡統 力学

実験手法実験手法

顕微法（光学顕微 、 子顕微 、原子力間顕微 ）

散乱法（光散乱、Ｘ線散乱、中性子散乱）

レオロジー

核磁気共鳴外分光法・ラマン分光法誘 分光法

熱量測定法

コンピューターシミュレーション

構造

力学応答

分光法

構造を べる手法構造を べる手法

10-10 10-8 10-6 10-4

micro-scaleeso mesoeso-scalea maacro-scale

m

光学顕微子顕微

原子力間顕微

子線回折

Ｘ線回折

中性子散乱

光散乱

ナノ構造を「見る」方法ナノ構造を「見る」方法

子顕微

AFM

Ｘ線小 散乱

中性子小 散乱

中性子スピンエコー法

ソフトマターを「生」で見ることができる

代表的なソフトマター代表的なソフトマター

分子液晶コロイドエマルション両親媒性分子膜ガラス粉体...

分子

コロイドエマルション両親媒性分子膜

液晶

分子分子

工学 分子化学科のホームページより

粗視化した 分子鎖粗視化した 分子鎖ランダム・フライト・モデル バネ・ビーズモデル

格子モデル

ブロック共重合体ブロック共重合体

分子の折り畳み分子の折り畳み

荷 分子としての荷 分子としてのDNADNA

Full length 57mmＧ

Ｔ4ＤＮＡ　

T4 DNA: 166kbp 　　全 57 mm

Cationicsurfactant

TEM像

ゲルゲル

コロイドと両親媒性分子コロイドと両親媒性分子

コロイド

原子・分子の集合が分散してミクロに不均一な構造を持つ物

液体 in 気体：エアロゾル（ 、 、ヘア・スプレー）固体 in 気体：エアロゾル（煙、花粉）気体 in 液体：泡（汚染河川、消化器）液体 in 液体：エマルション（牛乳、マヨネーズ、生体膜）固体 in 液体：コロイド・ゾル（粘土、 液、インク）気体 in 固体：固体の泡（軽石、発泡スチロール）液体 in 固体：液泡性材料（オパール、真珠、筋肉）固体 in 固体：固体サスペンション（木材、 、合金）

両親媒性分子両親媒性分子

生体膜生体膜

親水基

疎水基

ミセルミセル

スポンジスポンジ

様々な凝集構造様々な凝集構造

マイクロエマルションマイクロエマルション

マイクロエマルションのモデルマイクロエマルションのモデル

Ginzburg-Landau

Ginzburg-LandauGinzburg-Landau型現象論

F = ∫d3r AF2 + B(—F)2 + C(∆F)2

F(r) = fwater(r) - foil(r) r

1

-1 oil

water

スピン格子模型H = -S{JSiSj + KSi

2Sj2 + C1(SiSj

2 + Si2Sj)}

- L S Si(1-Sj2) Sk

水 : 水 : 水 : Si= +1界面活性剤 : 界面活性剤 : 界面活性剤 : Si= 0

油 : 油 : 油 : Si= -1

界面弾性模型

R1

R2

mean curvature H =12

1R1

+1R2

Ê

ËÁ

ˆ

¯˜

Gaussian curvature K =1R1

1R2

Ebend = k(H -1Rs

)2 + kKÈ

ÎÍ

˘

˚˙Ú dS

spontaneous curvature

saddle-splay modulusbending modulus

W. Helfrich, Z. Naturforsch. C28 (1973) 693

液晶液晶

Liquid Crystal Display

Bilogical System

液体と結晶の中間状態液体と結晶の中間状態

液体 結晶液晶

サーモトロピック液晶サーモトロピック液晶

isotropic

nematic

smectic A

smectic C

温度

いろいろな相いろいろな相

chiral smectic C

columner

リオトロピック液晶リオトロピック液晶

溶液の濃度によって形成される液晶

配向秩序配向秩序

b

n

X

Y

Z

P2= cos2 b -32

12

配向秩序変数

まとめまとめ

ソフトマターの特徴

・複 流体：粘弾性・階層構造、特にメゾスケールの構造・熱揺らぎの重要性、平衡揺らぎと 平衡構造・新しい対称性と秩序