1. 概説 - research.kek.jpresearch.kek.jp/people/seto/pdf/04softmatter-2.pdf · 中性子小...
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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