Inhalt1. 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. Flüssigkristalle7. Schäume, Gele, Elastomere8. 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. 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

Physik weicher und biologischer Materie

Physikalisches Wahlpflichtfach

Prof. von Borczyskowski, Dr. Schuster, Dr. Graaf, GastdozentenMontag, 15:30-17:00, 2/SR8 (Weinholdbau)

Für Studenten der Physik, Chemie, Computational Science und andere Interessierte ab 5. Semester

Wintersemester: Einführung, Flüssigkeiten, Amphiphile und Membranen

Block I: Transport in biologischen Systemen (Membranen, Molekulare Motoren, Photosynthese)

Sommersemester: Polymere, Kolloide Block II: Biologische Strukturen (Proteine, DNA,

Zellen)

Vorlesungsplan Wintersemester 2006/07

09. 10. Einführung/ Beispiele16. 10. Wechselwirkungen, Dynamik, Struktur, Selbst-

Organisation23. 10. Methoden (optische Verfahren,Streuverfahren,

Mikroskopie) 30. 10. Flüssigkeiten06. 11. Flüssigkeiten13. 11. Flüssigkeiten20. 11. Flüssigkeiten27. 11. Amphiphile04. 12. Amphiphile11. 12. Amphiphile18. 12. Amphiphile08. 01. - Block: Transport in biologischen Systemen29. 01.

Was ist weiche Materie ?SOFT MATTER Nobel Lecture, December 9, 1991byPIERRE-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 indeedbring 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 multicellularorganisms (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 beeninitiated by the Indians of the Amazon basin: they collected the sap from the heveatree, 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 structurewhich can resist tension - what we now call a rubber (in French: caoutchouc, a directtranscription 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

Frank Cichos: „Single Molecules Probing Diffusion in Ultrathin Liquid Films“Optical Spectroscopy and Molecular Physics

Experimental Setup - Video Microscopy

microscopeobjective

I-CCD

lense

notch-filter

- intensified frame transfer CCD (Pentamax)- exposure times down to 5 ms- frame rate 100 fps- 50 nm positional accuracy

sample

Wollastonprism

substrate

circularpolarized

- intensified frame transfer CCD (Pentamax)- exposure time down to 2 ms- frame rate up to 100 fps (10 ms)- <50 nm positional accuracy- excitation up to 12 mW @ 514 nm

Frank Cichos: „Single Molecules Probing Diffusion in Ultrathin Liquid Films“Optical Spectroscopy and Molecular Physics

Example & Analysis

D =14 t→∞lim

d r(t)2

dt

time t

<r(

t)2 >

one D from one trajectory fromweighted linear fit

13 µ

m

Frank Cichos: „Single Molecules Probing Diffusion in Ultrathin Liquid Films“Optical Spectroscopy and Molecular Physics

Results - Spot Size Traces

4 6 8 10

t [s]

0

5

10

15

20

25

region A B

exchange between molecular layers

13 µm

4 nm TEHOS

Frank Cichos: „Single Molecules Probing Diffusion in Ultrathin Liquid Films“Optical Spectroscopy and Molecular Physics

Results - Attachment Periods

56789

0 2 4 6 8 10 12

t [s]

9

10

11

12

tatt

tfree

tfree ... frequency of trappingtatt ... trapping lifetime

13 µm

Frank Cichos: „Single Molecules Probing Diffusion in Ultrathin Liquid Films“Optical Spectroscopy and Molecular Physics

Simulation of Structure and Diffusion

Frank Cichos: „Single Molecules Probing Diffusion in Ultrathin Liquid Films“Optical Spectroscopy and Molecular Physics

Wpot(z)

Motion between Layers - Effective Potential

frozen Layer ?

~300 meV

liquid Layers

Model Potential

0 10 20 30 40 50 60z [Å]

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

MD Simulation TEHOS/Si

Wpo

t(z)

eV

thick filmthin film

Lotus - Effekt

Tropfenformen

Oberflächenstruktur

Lotus - Benetzung

Oberflächenbenetzung

Jesus geht auf dem See von Galiläa

Matthäus 14:22-33Markus 6:45-52Johannes 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

Frank Cichos: „Single Molecules Probing Diffusion in Ultrathin Liquid Films“Optical Spectroscopy and Molecular Physics

1:Kontakt 3: Eindringen 4:Infektion2:Tasten

Virusinfektion Bräuchle, LMU München

Optische Pinzette

Frank Cichos: „Single Molecules Probing Diffusion in Ultrathin Liquid Films“Optical Spectroscopy and Molecular Physics

Elektronische Nanowelt

Miniaturisierung und Verwendung organischer Materialien

Künstliche lokaleUnordnung

H. Gao, Phys. Rev Letters 2000

Biologische Nanowelt

Proteinmembran

Flüssigkristalle

Flüssigkristalle

Fixierung mit optischer Pinzette

Optische Pinzette - Strecken

Stoma Gas

Guard CellMesophyl Cell Vein

BASIC PRIMARY PHOTOSYNTHETIC EVENTS

Chlorophyll aChlorophyll b

Grana

Stroma

LIGHTLIGHT--HARVESTING ANTENNA COMPLEX HARVESTING ANTENNA COMPLEX BChlBChl

LH2LH2

Primäres Reaktionszentrum

Nanometer - Motoren