Biophysik der Moleküle

17. Vorlesung Rädler WS 2010

10. Jan. 2011

Rheology

Lineare Viskoelastitzität homogener Netzwerke und Gele

Polymere Materialien

Biopolymere

Kunststoffe(Elastomere, Plastomere ...)

Die „extrazelluläre Matrix“ ist ein „gequollenes“ Polymernetzwerk

Knorpel

Elastin

Hyaluronsäure

komplexer Verbund

Fasern und Polymere

Hydrogele

Polyelektrolyte können durch mehrwertige Ionen quervernetzt werden

• Alternierende Blöcke von !-L-

Glucronsäure (G) und ß-D-

Mannuronsäure (M)

• Bindung von ein/zwei/dreiwertigen

Ionen an die Carboxylgruppen der

G-Moleküle

Hydrogele sind hydrophile Polymernetzwerke, die große

Mengen an Wasser aufnehmen können

Alginat, besser Alginsäure, ist ein wasserlössliches,geschmackloses

Geliermittel aus Algen, das sich durch Dissoziation an vielen Stellen negativ

auflädt.

-G-G-M-M-

Die molekulare Küche:

Versuch: künstlicher Kaviar

Literatur: Thomas Vilgis, Die Molekül-Küche - Physik und Chemie des feinen Geschmacks,

Hirzel Verlag, 216 Seiten.

aus: Thomas Vilgis, Physik Journal 6 (2007) Nr. 6, S.29.

Ob ein Material flüssig oder fest erscheint,ist eine Frage der Beobachtungszeit

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Deborah Zahl

Im Fünften Buch Richter spricht Deborah „Die Berge fliessen vor Gott ...“

intrinsische Relaxationszeit

Beobachtungszeit

Versuch: Silly Putty

Rheologie und Viskoelastizität:

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elastische Scher-Verformung

viskosesFliessen

": Scherspannung, G: Schermodul, #: Scherung, $: dynamische

Viskosität, d#/dt Scherrate

Viskoelastizität: Ein Fall für komplexe Zahlen

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Periodische Verformung (strain): Viskoelastische Antwort (stress):

komplexe Darstellung

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Gummielastizität: Eine Folge der Quervernetzung

VERSUCH Gummielastizität

Jede Masche trägt etwa die thermische Energie kBT bei, und der Modul G lässt

sich durch G ! n kBT abschätzen, wobei n die Anzahl der Maschen pro

Volumen ist.

Polymernetze haben einen entropie-elastischen Charakter. Dieser drückt sich durch

die ungewöhnliche Proportionalität des Schermoduls zu der

Temperatur aus.

Aktin Netzwerks

Schema eines Gels Negative Staining EM

The spectrin network of red blood cells

Magnetic bead microrheology

12

Kriechfunktion J(t)

Ziemann et al 1997

Magnetkugel-Mikrorheometer

Rotationsviskosimeter

Magnet-Rotations-Mikrorheometer

Messung der Frequenzabhängigkeit

viskoelastischer Konstanten von

biologischen Gelen

Müller et al. 1991

Viskoelastische Messungen an F-Aktin Netzwerken

F-Aktin Lösungen

Verlustmodul

Speichermodul

Gummielastizität

Linear equilibrium storage and loss moduli of actinas measured using mechanical rheometry

21

The problem of turbulent drag reduction

two fire hoses (pure water and water + 0.003% PEG

from Bailey & Koleske 1976

Stretching of a Single Thethered Polymer in a Uniform Flow

T.T. Perkins et al Science 268, 83 (1995)

"Molecular Individualism"

DeGennes

Single Polymer Dynamics in an Elongational Flow

T.T. Perkins, D. Smith & S. Chu