Молекулярно-упорядоченные ансамбли. Молекулярная архитектура и развитие современных технологий. Жидкие кристаллы

1.

Современные проблемы наук о
материалах и процессах
3. Молекулярно упорядоченные ансамбли.
Роль самоорганизации. Молекулярная
архитектура и развитие современных
технологий. Жидкие кристаллы.
Профессор Б.И.Островский
[email protected]

2.

Самоорганизация?

3.

Самоорганизация?
micelle
cross section
reverse
micelle
cross section

4.

Фрактальные формы организации

5. Жидкие кристаллы (самоорганизация больших органических молекул)

6.

Что такое жидкие кристаллы?
(анизотропные жидкости)
Кристаллы
Позиционный порядок
(трансляционный)
Жидкие кристаллы
Ориентационный порядок +
+ пониженный трансляционный
порядок

7. Молекулы жидких кристаллов и их упрощенные модели

8. Виды упорядочения жидких кристаллов

Изотропная
фаза
Т
А
Смектические ЖК
Нематические ЖК
С
1T3D

9.

Нематические мезофазы
n

10.

Смектическая (слоевая) фаза
Бислой,
образованный
амфифильными
молекулами
H 2O
Термотропные ЖК
Лиотропные ЖК

11. Предельные группы симметрии - группы Кюри

12.

Симметрия ЖК фаз
Существуют ли
полярные нематики?
Полярная группа
симметрии
- ЖК сегнетоэлектрики

13.

Хиральность

14. Молекулы дискотических ЖК

15. Колончатые фазы различной симметрии

16.

Самоорганизующиеся
амфифильные
системы

17. Соли жирных кислот, фосфолипиды

18.

19.

20.

21. Структуры формируемые липидами в присутствии растворителя

22.

23. Лиотропные жидкие кристаллы

24. Трехмерно-периодическая лиотропная структура (фоговая фаза)

Минимизирутся:
поверхностная энергия;
энергия упругих искажений,
гидратные силы
Plumbers nightmare

25. Микроэмульсии

26.

Схематическое строение
биологической мембраны

27. Биологические системы

28.

Генетически заложенная программа
(кодированная самоорганизация)
Запускается различного рода воздействиями
Nucleus
(DNA)
Controled
exchanges
Cytoplasm RNA, Proteins

29.

30.

Укладка ДНК
в хромосоме

31.

Структура ДНК
(дезоксирибонуклеиновая кислота)

32.

Молекулы ДНК контролируют и передают
генетическую информацию в живых организмах

33.

Цитозин
Аденин
Гуанин
Тимин

34.

covalent bond
(strong)
hydrogen bonds
(weak)

35.

Розалинда Франклин
Кэмбридж, Англия, начало пятидесятых годов

36.

Морис Уилкинс

37.

Джеймс Ватсон и Френсис Крик
We wish to suggest a structure for the salt of deoxiribose
nucleic acid (D.N.A.). This structure has novel features
which are of considerable biological interest

38.

Двойная спираль ДНК
Четырехбуквенный
алфавит (!!)

39.

40.

41.

ДНК – электронная микроскопия

42.

Сложные структуры ДНК

43.

Репликация ДНК
Когда клетка приступает к делению и необходима дополнительная ДНК для дочерних
клеток, ферменты начинают «расстегивать» лестницу ДНК, как застежку-«молнию»,
обнажая индивидуальные основания. Другие ферменты присоединяют соответствующие
основания, находящиеся в окружающей жидкой среде, к парным «обнажившимся»
основаниям — А к Т, Г к Ц и т. д. В результате на каждой из двух разошедшихся цепей ДНК
достраивается соответствующая ей цепь из компонентов окружающей среды, и исходная
молекула дает начало двум двойным спиралям.

44.

45.

Научный проект «геном человека»
(старт в 1988 г.)
Определение полной последовательности
нуклеотидов в геноме человека

46.

Геном человека

47.

48.

!!

49.

50.

51.

d <<
h <<
Разрешение порядка /20

52.

53.

x px h
px = ћ kx ћ (2kx) = ћ(4 / )
x /2
=
2h/

54.

x px h
px = ћ kx ћ (2kx)
x h/ px 1/kx

55.

«Ближнее поле»
-1 2a

56.

Bethe H A Phys. Rev. 66 163 (1944)

57.

a 20 50 nm

58.

59.

Modified slide from Kobus Kuipers and Niek van Hulst et al.
Transmission of light through a near-field tip
200 nm
Excitation light
Al
NSOM probe
FIB treated probe
Aperture ~20-100 nm
Protein, dendrimer, DNA, etc.
single fluorophores
Fluorescence
Thin polymer film,
self-assembled monolayer,
cell membrane, etc.

60.

Мозг наш на редкость сложно устроен, в этом
причина несовершенства человеческой жизни.
Поэтому не стоит ожидать, что наша жизнь
когда-нибудь станет идеальной.

61.

Пленки Ленгмюра-Блоджет

62.

Молекулярное конструирование

63. Ленгмюровские монослои

64. Фазовая диаграмма ленгмюровского монослоя солей жирных кислот

65. Ленгмюровская ванна

66.

The Instrument

67. Получение пленок Ленгмюра-Блоджет (1)

Предварительная
подготовка подложек

68.

Получение пленок Ленгмюра-Блоджет (2)

69.

70. Получение сверхструктур

71. Активный элемент, полученный по ЛБ технологии

72. Двумерная кристаллизация белков

Самосборка
по принципу
ключ-замок
Прототип
биологических
мембран

73. Применение ЛБ пленок

74.

Electrode / molecular monolayer / electrode
junction
Arrays of interconnected electrode / monolayer / electrode tunneling
junctions can be assembled combining the Langmuir–Blodgett technique
with electron beam evaporation.

75. Газовые сенсоры, искусственный «нос»

76. Тонкопленочные полевые транзисторы

Подзатворный
диэлектрик

77.

Другие применения:
1. Отражательные дифракционные решетки
для спектрометров рентгеновского диапазона.
2. Покрытия (избирательные фильтры) для солнечных
батарей.

78.

Bragg mirror
Antireflection coatings (Fresnel equations)
Bragg’s law:
2n averaged cos( ) m

79.

Полимеры

80.

81.

полиэтилен

82.

Блок-сополимеры

83.

Структура блок сополимеров

84.

Самоорганизация в блок-сополимерах
Блоки А и В не смешиваются друг с другом и в системе
происходит локальное расслоение ниже некоторой
температуры Tс.
F= U TS

85.

Физика расслоения (разделения фрагментов) макромолекул строится
на основе общей теории упорядочения в бинарных смесях жидкостей
(сплавов), рассмотренной ранее с помощью решеточной модели.
Полномасштабная сегрегация невозможна вследствие ковалентной связи
между блоками. Вместо этого происходит локальное (микрофазное)
разделение фрагментов цепи с образованием
областей, обогащенных блоками А или В.
= (kBT) 1[ AB 1/2( AA + BB)]
- параметр Флори-Хаггинса;
Здесь AB , AА и ВB энергии, относящиеся к парным взаимодействиям
полимерных звеньев. Тенденция к разделению полимерных блоков:
>0; T 1

86.

87.

T-1

88.

89.

90.

91.

92.

93.

94.

95.

96. Коллоидные кристаллы

97. Взаимодействие коллоидных частиц в растворе

98. Примеры коллоидных частиц

99. Самосборка из коллоидного раствора

100.

Коллоидный кристалл

101. Дифракция рентгеновских лучей на коллоидных кристаллах

102.

Фотонные кристаллы

103.

Definition: определения
Основные
A photonic crystals is a periodic arrangement
of a dielectric material
that exhibits strong interaction with light

104.

Examples:
Примеры:
1D: Bragg Reflector
2D: Si pillar crystal
3D: colloidal crystal

105.

106.

Morpho butterfly

107.

a
••
k
••
••
••
••
••
••
••
••
••
••
••
••
••
••
••
••
••
••
••
••
••
••
••
planewave
E, H ~ e
i (k x t )
k /c
2
for most , beam(s) propagate
through crystal without scattering
(scattering cancels coherently)
...but for some (~ 2a), no light can propagate: a photonic band gap

108.

Dispersion relation
= ck
n1: high index material
n2: low index material
frequency ω
standing wave in n2
n1 n2
bandgap
standing wave in n1
0
π/a
wave vector k
n1 n 2 n1 n2 n1

109.

Кинематический подход –
отражение настолько мало,
что можно пренебречь
ослаблением первичной волны

110.

111.

3D Photonic Crystals
•Woodpile structures
•Colloidal crystals
•Inverse opals
•Focused Ion Beam
•...
Photonic Bandgap: No propagation of light with frequencies
within the bandgap for three directions !
W.L. Vos [AMOLF]
1 m
S.Y. Lin et al, Nature 394 (1998) 251
www.photonicbandgaps.com for lots of information and more

112.

Nanophotonics examples
W.L. Vos
AMOLF
K. Kuipers
AMOLF
1 m
Trapping light in
photonic crystals
Anomalous transmission
through nanohole arrays
Photonic nanowires
4 m
J. Gomez Rivas
AMOLF, Philips
DNA-templated quantum dots

113.

Silica fiber transparent at 1.55 m
1012 Hz
1.3 m
1.55 m

114.

Optical fiber:
long distance communication