Fizika mehke snovi

2022/2023
Program:
Magistrski študijski program 2. stopnje Fizika
Smer:
Astrofizika
Letnik:
2. letnik
Semester:
prvi
Vrsta:
izbirni
ECTS:
5
Jezik:
slovenski
Nosilec predmeta:
Ure na teden – 1. semester:
Predavanja
2
Seminar
1
Vaje
0
Laboratorij
0
Pogoji za vključitev v delo oz. za opravljanje študijskih obveznosti

Vpis v letnik študija.
Opravljena domača naloga je pogoj za pristop k ustnemu izpitu.

Vsebina

Uvod. Pojavi in lastnosti mehke kondenzirane snovi. Meddelčne sile, viskoelastični odziv, mikroskopska interpretacija elastičnosti in viskoznosti. Posplošena susceptibilnost.
Kapljevine. Ravnovesna termodinamika, idealne in presežne količine, velekanonični formalizem. n-delčna gostota, n-delčne porazdelitvene funkcije. Radialna porazdelitvena funkcija, YBG hierarhija. Enacba stanja: energija, tlak, stisljivost. Teorije porazdelitvenih funkcij, Ornstein-Zernikova enačba; Yvonov, Percus-Yevickov in HNC približek. Virialni razvoj. Enačba stanja trdih kroglic: Percus-Yevickova in Carnahan-Starlingova enačba stanja. Perturbacijska teorija: van der Waalsova enačba stanja.
Tekoči kristali. Onsagerjeva teorija. Elastična teorija nematikov: direktor, Frankova elastična energija, pahljačna, zvojna in upogibna deformacija. Sidranje: ekstrapolacijska dolžina; celica z zvojno deformacijo. Nematiki v magnetnem polju. Linijski defekti: klasifikacija, jakost, energija, stabilnost. Tenzorski nematski ureditveni parameter. Landau-de Gennesova teorija prehoda iz nematske v izotropno fazo. Smektična elastičnost: ureditveni parameter, stiskanje in upogibanje plasti.
Polimeri. Izolirana polimerna veriga: popolnoma gibka veriga, polmer giracije, entropijska elastičnost. Persistenčna in Kuhnova dolzina. Črvasta veriga. Nabrekla klobka. Prehod med klobko in globulo. Polimerne raztopine: razredčene, polrazredčene in koncentrirane raztopine, osmozni tlak. Dinamični modeli: Rousovi nacini, reptacija. Geli: Flory-Stockmayerjeva teorija, elastična teorija gume.
Koloidi. Klasifikacija, značilne energije. Brownovo gibanje: Einstein-Stokesova zveza. van der Waalsove sile: neretardirane in retardirane interakcije; Casimirjeva interakcija. Elektrostatična interakcija: senčenje, Poissson-Boltzmannova enacba, Debye-Hückelov približek, sila med enako nabitima ploščama. Deplecijska interakcija. Agregacija in stabilizacija koloidov; Derjaguin-Landau-
Verwey-Overbeekova teorija. Fazni diagram trdih kroglic.
Amfifili. Vrste micel, kritična micelarna koncentracija. Sferične micele; cilindrične micele; velikostna porazdelitev micel; dvosloji. Teorija membranske elastičnosti; upogibni in razteznostni moduli. Vesikli: reducirana prostornina, teorija nelokalne elastičnosti, oblike vesiklov.

Temeljni literatura in viri

R. A. L. Jones, Soft Condensed Matter, Oxford University Press, Oxford, 2002,
T. A. Witten, Structured Fluids, Oxford University Press, Oxford, 2004,
M. Daoud in C. E. Williams (eds.), Soft Matter Physics, Springer, Berlin, 1999,
I. W. Hamley, Introduction to Soft Matter, Wiley, Chichester, 2000,
P. M. Chaikin in T. C. Lubensky, Principles of Condensed Matter Physics, Cambridge University Press, Cambridge, 1995,
J.-P. Hansen in I. R. McDonald, Theory of Simple Liquids, Academic Press, San Diego, 1986,
G. Strobl, The Physics of Polymers, Springer, Berlin, 1997,
P.-G. de Gennes and J. Prost, The Physics of Liquid Crystals, Clarendon Press, Oxford, 1993.

Cilji in kompetence

Predstaviti širok pregled fizike mehke kondenzirane snovi; fenomenologijo in eksperimentalne rezultate podpreti s teoretično razlago v okviru termodinamike, statistične fizike, elastomehanike in hidrodinamike ter elektromagnetizma.

Predvideni študijski rezultati

Znanje in razumevanje
Razumevanje fizike kapljevin, tekočih kristalov, polimerov, koloidov in amfifilnih agregatov kot osnovnih gradnikov mehke snovi.
Uporaba
Slušatelji se naučijo uporabljati fizikalne teorije (predvsem elastomehanike, elektrostatike in statistične fizike) za analizo struktur in pojavov v fiziki mehke snovi kakor tudi za razumevanje obnašanja in delovanja izbranih materialov oziroma naprav iz vsakdanjega življenja, npr. gume oziroma tekočekristalnega zaslona.
Refleksija
Slušatelji se zavedo vseprisotnosti mehkih materialov in njihove vloge v sodobni tehnologiji. Po drugi strani se seznanijo z več minimalnimi modeli za razmeroma kompleksne fizikalne strukture, kar pomaga razumeti, da so vzroki za zapleteno obnašanje lahko tudi preprosti.
Prenosljive spretnosti - niso vezane le na en predmet
Slušatelji bolje razumejo pomen izbire primernega teoretičnega okvira ter ustrezne časovne in krajevne skale za opis kakega fizikalnega pojava.

Metode poučevanja in učenja

predavanja, vaje, seminar, individualne naloge, konzultacije

Načini ocenjevanja

Opravljena domača naloga (pisni izdelek in predstavitev) šteje kot izpit iz vaj
Ustni izpit iz teorije
(ocene: 5 (negativno), 6-10 (pozitivno), ob upoštevanju Statuta UL)

Reference nosilca

red. prof. dr. R. Podgornik:
SVENŠEK, Daniel, GRASON, G. M., PODGORNIK, Rudolf. Tensorial conservation law for nematic polymers. Physical review. E, Statistical, nonlinear, and soft matter physics, ISSN 1539-3755, 2013, vol. 88, iss. 5, str. 052603-1-052603-7, ilustr. http://pre.aps.org/abstract/PRE/v88/i5/e052603. [COBISS-SI-ID 2615908],
SVENŠEK, Daniel, PODGORNIK, Rudolf. Confined chiral polymer nematics : ordering and spontaneous condensation. Europhysics letters, ISSN 0295-5075, 2012, vol. 100, no. 6, str. 66005-p1-66005-p6. http://iopscience.iop.org/0295-5075/100/6/66005. [COBISS-SI-ID 2523492].
PODGORNIK, Rudolf, HOPKINS, J., PARSEGIAN, Vozken Adrian, MUTHUKUMAR, M. Polymers pushing polymers : polymer mixtures in thermodynamic equilibrium with a pore. Macromolecules, ISSN 0024-9297, 2012, vol. 45, iss. 21, str. 8921-8928. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ma3017508. [COBISS-SI-ID 2496868].
SVENŠEK, Daniel, VEBLE, Gregor, PODGORNIK, Rudolf. Confined nematic polymers : order and packing in a nematic drop. Physical review. E, Statistical, nonlinear, and soft matter physics, ISSN 1539-3755, 2010, vol. 82, str. 011708-1-011708-14, doi: 10.1103/PhysRevE.82.011708. [COBISS-SI-ID 2254948].
LIČER, Matjaž, PODGORNIK, Rudolf. Polyelectrolyte-mediated bridging interactions : columar macromolecular phases. Journal of physics, Condensed matter, ISSN 0953-8984, 2010, vol. 22, št. 41, str. 414102-1-414102-9, doi: 10.1088/0953-8984/22/41/414102. [COBISS-SI-ID 2266724].
izr. prof. dr. P. Ziherl:
1. GEORGIOU, Ioannis, ZIHERL, Primož, KAHL, Gerhard. Antinematic local order in dendrimer liquids. Europhysics letters, ISSN 0295-5075, 2014, vol. 106, no. 4, str. 44004-1-44004-6, doi: 10.1209/0295-5075/106/44004. [COBISS-SI-ID 27870247].
2. DOTERA, T., OSHIRO, T, ZIHERL, Primož. Mosaic two-lengthscale quasicrystals. Nature, ISSN 0028-0836, 2014, vol. 506, no. 7487, str. 208-211, doi: 10.1038/nature12938. [COBISS-SI-ID 27499815].
3. ZIHERL, Primož, SVETINA, Saša. Nonaxisymmetric phospholipid vesicles : rackets, boomerangs, and starfish. Europhysics letters, ISSN 0295-5075, 2005, letn. 70, str. 690-696. [COBISS-SI-ID 19493159].
4. ZIHERL, Primož, KAMIEN, Randall D. Maximizing entropy by minimizing area : towards a new principle of self-organization. The journal of physical chemistry. B, Materials, surfaces, interfaces & biophysical, ISSN 1089-5647, 2001, vol. 105, str. 10147-10158. [COBISS-SI-ID 16451111].
5. ZIHERL, Primož, PODGORNIK, Rudolf, ŽUMER, Slobodan. Wetting-driven Casimir force in nematic liquid crystals. Physical review letters, ISSN 0031-9007. [Print ed.], 1999, 82, str. 1189-1192. [COBISS-SI-ID 860516].