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

Самоорганизация?

Самоорганизация?

micelle

reverse
micelle

cross section

cross section

Фрактальные формы организации

Жидкие кристаллы (самоорганизация больших органических молекул)

Кристаллы Жидкие кристаллы

Позиционный порядок
(трансляционный)

Ориентационный порядок +
+ пониженный трансляционный
порядок

Что такое жидкие кристаллы?
(анизотропные

Молекулы жидких кристаллов и их упрощенные модели

Виды упорядочения жидких кристаллов

1T3D

Т

Нематические ЖК

Смектические ЖК

А

С

Изотропная
фаза

Нематические мезофазы

n

Смектическая (слоевая) фаза

Термотропные ЖК

Лиотропные ЖК

Бислой,
образованный
амфифильными
молекулами

H2O

Предельные группы симметрии - группы Кюри

Полярная группа симметрии
- ЖК сегнетоэлектрики

Существуют ли
полярные нематики?

Симметрия ЖК фаз

Хиральность

Молекулы дискотических ЖК

Колончатые фазы различной симметрии

Самоорганизующиеся амфифильные системы

Соли жирных кислот, фосфолипиды

Структуры формируемые липидами в присутствии растворителя

Лиотропные жидкие кристаллы

Трехмерно-периодическая лиотропная структура (фоговая фаза)

Минимизирутся:
поверхностная энергия;
энергия упругих искажений,
гидратные силы

Plumbers nightmare

Микроэмульсии

Схематическое строение биологической мембраны

Биологические системы

Генетически заложенная программа
(кодированная самоорганизация)
Запускается различного рода воздействиями

Nucleus (DNA)

Cytoplasm -
RNA, Proteins

Controled exchanges

Укладка ДНК
в хромосоме

Структура ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота)

Молекулы ДНК контролируют и передают
генетическую информацию в живых организмах

Цитозин

Гуанин

Аденин

Тимин

Розалинда Франклин

Кэмбридж, Англия, начало пятидесятых годов

Морис Уилкинс

Джеймс Ватсон и Френсис Крик

We wish to suggest a structure for

Двойная спираль ДНК

Четырехбуквенный
алфавит (!!)

ДНК – электронная микроскопия

Сложные структуры ДНК

Репликация ДНК

Когда клетка приступает к делению и необходима дополнительная ДНК для

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

Геном человека

!!

d << λ
h << λ

Разрешение порядка λ/20

Δx Δpx ≥ h

Δpx = ћΔkx ≈ ћ (2kx) = ћ(4π/λ)

Δpx = ћΔkx ≈ ћ (2kx)
Δx ≥ h/Δpx ≈

«Ближнее поле»

γ -1 ≈ 2a

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

a ≈ 20÷ 50 nm

Thin polymer film,
self-assembled monolayer,
cell membrane, etc.

single fluorophores

NSOM probe

Excitation light

Fluorescence

Protein, dendrimer,

Мозг наш на редкость сложно устроен, в этом причина несовершенства человеческой жизни. Поэтому

Пленки Ленгмюра-Блоджет

Молекулярное конструирование

Ленгмюровские монослои

Фазовая диаграмма ленгмюровского монослоя солей жирных кислот

Ленгмюровская ванна

The Instrument

Получение пленок Ленгмюра-Блоджет (1)

Предварительная
подготовка подложек

Получение пленок Ленгмюра-Блоджет (2)

Получение сверхструктур

Активный элемент, полученный по ЛБ технологии

Двумерная кристаллизация белков

Прототип
биологических
мембран

Самосборка
по принципу
ключ-замок

Применение ЛБ пленок

Electrode / molecular monolayer / electrode junction

Arrays of interconnected electrode

Газовые сенсоры, искусственный «нос»

Тонкопленочные полевые транзисторы

Подзатворный
диэлектрик

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

Bragg mirror
Antireflection coatings (Fresnel equations)

Bragg’s law:

Полимеры

полиэтилен

Блок-сополимеры

Структура блок сополимеров

Самоорганизация в блок-сополимерах

Блоки А и В не смешиваются друг с другом

Физика расслоения (разделения фрагментов) макромолекул строится
на основе общей теории упорядочения

~ T-1

Коллоидные кристаллы

Взаимодействие коллоидных частиц в растворе

Примеры коллоидных частиц

Самосборка из коллоидного раствора

Коллоидный кристалл

Дифракция рентгеновских лучей на коллоидных кристаллах

Фотонные кристаллы

Definition:
A photonic crystals is a periodic arrangement
of a dielectric material
that exhibits

Examples:

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

Примеры:

Morpho butterfly

for most λ, beam(s) propagate
through crystal without scattering
(scattering cancels coherently)

...but for

n1

n2

n1

n1

n1

n2

n2

Dispersion relation

n1: high index material
n2: low index material

bandgap

frequency ω

wave vector k

0

π/a

standing

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

3D Photonic Crystals

Woodpile structures
Colloidal crystals
Inverse opals

www.photonicbandgaps.com for lots of information and

Nanophotonics examples

Trapping light in
photonic crystals

Anomalous transmission
through nanohole arrays

Photonic nanowires

W.L.

Silica fiber transparent at 1.55 μm

1012 Hz

1.3 μm

1.55 μm