Theorie weicher und biologischer Materie

Jan Kierfeld

Technische Universität Dortmund
Wintersemester 2008/2009
3-stündig mit 1-stündiger Übung

Kontakt:  Jan.Kierfeld@tu-dortmund.de
Raum: P1-O2-312
Tel: 0231-755-3545


Ort, Zeit

Di, 14-16 c.t., Raum P1-O2-323, 2 Stunden Vorlesung
Do, 16-17:30 s.t., Raum P1-O2-111 (Achtung, geändert)
Do 2 Stunden Vorlesung oder 1 Stunde Vorlesung und 1 Stunde Übung nach Bedarf




Skript

in 2 Teilen:
Teil 1 [pdf 31.1M] [djvu 18.3M]
Teil 2 [pdf 17.6M] [djvu 9.5M]

nach Vorlesungen:

  1. Einleitung
    1:  14.10.2008  [pdf]
  2. Statistische Physik (Literatur 1,2,3)
    2:  16.10.2008  [pdf]
    3:  21.10.2008  [pdf]
  3. Verdünnte Systeme, Fluide (Literatur 4,5)
    4:  23.10.2008  [pdf]
    5:  28.10.2008  [pdf]
  4. Phasenübergänge (Literatur 1,2,3,6)
    6:  30.10.2008  [pdf]
    7:  4.11.2008  [pdf]
    8:  6.11.2008  [pdf]
    9:  11.11.2008  [pdf]
  5. Flüssigkristalle (Literatur 6,7)
    9:  11.11.2008  [pdf]
    10:  13.11.2008  [pdf]
    11:  18.11.2008  [pdf]
  6. Intermolekulare Wechselwirkungen (Literatur 3,8,9,15)
    11:  18.11.2008  [pdf]
    12:  20.11.2008  [pdf]
    13:  25.11.2008  [pdf]
  7. Polymere (Literatur 10,11,3,15)
    14:  27.11.2008  [pdf] (Übung4, Zentraler Grenzwertsatz, DNA unter Kraft)
    15:  2.12.2008  [pdf]
    16:  4.12.2008  [pdf]
    17:  9.12.2008  [pdf]
    18:  11.12.2008  [pdf]
    19:  16.12.2008  [pdf]
  8. Differentialgeometrie (Literatur 12,13)
    19:  16.12.2008  [pdf]
    20:  18.12.2008  [pdf]
  9. Flüssige Grenzflächen (Literatur 4,9)
    21:  6.1.2009  [pdf]
    22:  8.1.2009  [pdf]
  10. Membranen (Literatur 9,14)
    22:  8.1.2009  [pdf]
    23:  13.1.2009  [pdf]
    24:  20.1.2009  [pdf]
  11. Stochastische Prozesse (Literatur 1,3,4,11,15,16)
    25:  22.1.2009  [pdf]
    26:  27.1.2009  [pdf]
    27:  29.1.2009  [pdf]
  12. Chemische Reaktionen (Literatur 3,16)
    27:  29.1.2009  [pdf]
    28:  3.2.2009  [pdf]
  13. Filamente, Molekulare Motoren (Literatur 3,15,17)
    28:  3.2.2009  [pdf]
    29:  5.2.2009  [pdf]



Übungen

23.10.2008:  Übung 1
6.11.2008:  Übung 2
25.11.2008:  Übung 3
3.12.2008:  Übung 4
6.1.2009:  Übung 5



Synopsis

Die Vorlesung wird eine Einführung in theoretische Konzepte der Physik weicher und biologischer Materie geben. Unter Weicher Materie werden Materialien verstanden, deren intermolekulare Bindungen schwach sind, so dass die thermische Energie (1kT bei Raumtemperatur) ausreicht, um signifikante und strukturelle Verformungen und/oder Phasenumwandlungen zu verursachen. Wichtige Beispiele weicher Materie, die auch in der Vorlesung behandelt werden, sind Polymere, kolloidale Systeme, flüssige Grenzflächen, fluide Membranen und Flüssigkristalle. Insbesondere bestehen alle Elemente eine lebenden Zelle aus weicher Materie, wie z.B. die Zellmembran, die DNA, das Zellskelett, Proteine, usw.

Die Vorlesung wird ausgehen von einer kurzen Wiederholung der Grundkonzepte statistischer Physik einschließlich Phasenübergängen und einer Einführung in die Theorie der Flüssigkeiten. Danach werden die relevanten molekularen Wechselwirkungen besprochen, die weiche Materie ausmachen und insbesondere für kolloidale Systeme wichtig sind. Danach werden wichtige Klassen weicher Materie behandelt: Polymere, Membranen, flüssige Grenzflächen. Diese haben eine eingeschränkte Dimensionalität und zeichnen sich oft durch eine Separation relevanter Längenskalen aus, die effektive kontinuierliche Modelle erlauben. Dazu wird auch eine Einführung in Differentialgeometrie, Elastizitätstheorie und Hydrodynamik gegeben.

Im letzten Teil der Vorlesung sollen dynamische Probleme in Biologie und Chemie behandelt werden, ausgehend von der Brownschen Bewegung. Dynamik in der Zelle beruht auf chemischen Reaktionen, die mit Hilfe von stochastischer Dynamik theoretisch beschrieben werden. Es wird eine Einführung in die chemische Reaktionskinetik gegeben (z.B. Kramers-Problem). Die Vorlesung soll mit Modellen für die Bewegung molekularer Motoren und für Filamentwachstum schließen.

Sie werden also einige neue Systeme kennenlernen aus dem Bereichen weiche Materie und Biologie, aber auch neue Methoden lernen, insbesondere Methoden aus der statistischen Physik (Phasenübergänge, stochastische Dynamik, usw.), die auch unabhängig von den hier im Fokus stehenden Systemen aus der weichen Materie wichtig sind für jeden theoretischen Physiker. Die folgende Liste wird auch ungefähr dem chronologischen Ablauf der Vorlesung entsprechen. Grundlagen der statistischen Physik werden eigentlich vorausgesetzt, bei Bedarf kann der erste Teil aber etwas ausführlicher ausfallen (siehe unten).




Voraussetzungen

Kenntnisse in Thermodynamik und statistischer Physik sind hilfreich, daher richtet sich die Vorlesung an Studenten ab dem 7. Semester. Bei Bedarf könnte ich eine Kurzeinführung in die statistische Physik geben, um die Vorlesung auch für Studenten im 5. Semester zugänglich zu machen.
Theoretische Festkörperphysik ist keine Voraussetzung.


Literatur

  1. F. Schwabl, Statistische Mechanik, Springer
  2. D. Chandler, Introduction to modern statistical mechanics, Oxford University Press, NY
  3. K.A. Dill, Molecular Driving Forces: Statistical Thermodynamics in Chemistry and Biology, Garland Science
  4. J.-L. Barrat and J.-P. Hansen, Basic concepts for simple and complex liquids, Cambridge University Press, Cambridge
  5. J.-P. Hansen and I.R. McDonald Theory of simple liquids, Academic Press, London
  6. P.M. Chaikin and T.C. Lubensky, Principles of condensed matter physics , Cambridge University Press, Cambridge
  7. P.G. de Gennes, J. Prost, The Physics of Liquid Crystals, Clarendon Press, Oxford
  8. J. Israelachvili, Intermolecular and Surface Forces , Academic Press, London
  9. S.A. Safran, Statistical thermodynamics of surfaces, interfaces, and membranes , Addison-Wesley, Reading
  10. P.G. de Gennes, Scaling concepts in polymer physics, Cornell University Press, Cornell
  11. M. Doi and S.F. Edwards, The theory of polymer dynamics, Clarendon Press, Oxford
  12. J.-H. Eschenburg, J. Jost, Differentialgeometrie und Minimalflächen, Springer,
  13. M. do Carmo, Differential Geometry of Curves and Surfaces, Prentice Hall, New Jersey
  14. R. Lipowsky and E. Sackmann, Eds., Structure and Dynamics of Membranes, Elsevier, Amsterdam
  15. P. Nelson, Biological Physics , W.H. Freeman
  16. N.G. van Kampen, Stochastic Processes in Physics and Chemistry, North Holland
  17. J. Howard, Mechanics of Motor Proteins and Cytoskeleton, Sinauer Associates



Klausur

keine




Last modified 23-10-2008 by Jan Kierfeld