Biological and Soft Matter systems often posses a highly complex structure and and dynamics. This is typically the result of collective interactions between  many singly passive or active molecules which constitute the system. For an understanding of the macroscopic properties, it is necessary to have detailed knowledge about the molecular properties of the systems. This course aims at introducing mechanical and optical techniques, which can be used to analyze the structure and dynamics of single molecules in real time. This allows for example to gain insight into subpopulations of molecules or molecular states and the investigation of force-generating molecules at resolutions that by far beat the Abbe diffraction limit.

Target group: M.Sc. Physik, M.Sc. IPSP

Soft matter or Soft condensed matter is a subfield of condensed matter comprising a variety of physical states that are easily deformed by thermal stresses or thermal fluctuations. They include liquids, colloids, polymers, foams, gels, granular materials, and a number of biological materials. These materials share an important common feature in that predominant physical behaviors occur at an energy scale comparable with room temperature thermal energy.

Target group: Master students

Lecture contents:

  1. Basics of statistical physics
  2. Particle-particle association
  3. Forces & interactions in soft matter
  4. Flows and transport in liquids
  5. Polymers + networks
  6. Colloids, Liquid Crystals & Membranes

Zielgruppe: Bachelorstudenten im 5. Semster

Vorlesung: Typische experimentelle Methoden der Polymerphysik werden konzeptionell Vorgestellt und anhand der Messergebnisse die Eigenschaften von Polymeren erarbeitet. Vorlesungsinhalte sind:

  • Aufbau von Polymeren: chemische & physikalische Struktur
  • Dynamik von Polymeren: Glasübergang, teilkristalline Systeme, Mesophasenseparation
  • Thermodynamische Methoden: Kalorimetrie
  • Strukturaufklärende Methoden: Infrarotspektroskopie, Rasterkraftmikroskopie, Röntgenstreuung
  • Methoden zur Bestimmung der Dynamik: Dielektrische Spektroskopie, Scherrheologie (mechanische Spektroskopie), Photonenkorrelationsspektroskopie

Seminar: Training der Präsentationsfähigkeiten durch die Präsentation von Fachpublikationen durch die Studenten zu ausgewählten Vorlesungsthemen und deren Diskussion.

Upon request the lecture will be held in English

Target group: Bachelor students, in semster 5

Lecture: Common methods in polymer physics are introduced conceptually and the properties of polymers are demonstrated using the experimental results. Content of the lecture:

  • Chemical & physical structurte of polymers
  • Dynamics of polymers: glass transition, semi-crystalline systems, mesophase-separation
  • Thermodynamic methods: calorimetry
  • Methods exploring the structure: Infrared spectroscopy, atomic force microscopy, X-ray diffraction
  • Methods exploring the dynamics: dielectric spectroscopy, shear rheologie (mechanical spectroscopy), photon correlation spectroscopy

Seminar: Training of presentation skills in presentations of journal articles complementing selected lecture contents by the students.

Ziele:

Die Studierenden erwerben Kenntnisse über grundsätzliche physikalische Techniken, welche zur Analyse and Untersuchung von biologischen Systemen zum Einsatz kommen. Mit den erworbenen Kenntnissen erhalten die Studenten eine Einführung in den Aufbau biologischer Materie. Sie werdenbefähigt, Fachliteratur, in denen biophysikalische Techniken zur Anwendung kommen, zu verstehen, zu diskutieren und zu bewerten.
Sie können eine Methode der Biophysik in einem Vortrag präsentieren und die dafür notwendige Literatur beschaffen, auswählen und einordnen.

Inhalt:
Vorlesung:
Ausgangspunkt der Vorlesung sind verschiedene Methoden der Biophysik zur Untersuchung der Struktur und Dynamik von biologischen Systemen und Prozessen. Die folgenden Themen werden behandelt:
- Aufbau von Zellen
- Struktur und Dynamik von Biomolekülen
- Herstellung und Separierung von biologischen Molekülen und Komplexen
- Massenspektrometrie
- Optische Spektroskopie (Absorptionspektroskopie, Zirkulardichroismus,Fluoreszenzspektroskopie, Schwingungsspektroskopie)
- Lichtmikroskopische Techniken
- Kraftspektroskopie
- Kernspinresonanzspektroskopie
- Licht- und Röntgenstreuung
- Verfahren zur Strukturbestimmung (Elektronenmikroskopie,Röntgenkristallographie)
- Kalorimetrische Verfahren
- Numerische Verfahren der Strukturmodellierung und Bioinformatik
Seminar: Analysen von Publikationen und Präsentation zu ausgewählten Methoden.

Die Lehrveranstaltungen werden in englischer Sprache gehalten. Studien- und Prüfungsleistungen sind in englischer Sprache zu erbringen.

Teilnahmevoraussetzungen:
Bachelor of Science International Physics Studies Program (ab WS 2019/2020): keine
Bachelor of Science Physik (ab WS 2019/20): keine

Literaturangabe:
- Igor Serdyuk, Nathan Zaccai & Joseph Zaccai: Methods in Molecular Biophysics (Cambridge University Press)
- Iain Campbell: Biophysical Techniques (Oxford University Press)
- R. Geroch: "Suggestions for giving talks", arXiv:gr-qc/9703019
- https://biostat.wisc.edu/~kbroman/talks/giving_talks.pdf

Prüfungsvorleistungen:
Der Prüfungsleistung 'Mündliche Prüfung (20 Min.)' (Modulabschlussprüfung) ist folgende Prüfungsvorleistung zugeordnet: Referat (20 Min.)


no previous knowledge required

Open for bachelor and master students

 

After active participation in the module, students will be able to apply advanced concepts of soft matter and biological physics to understand and quantify fundamental concepts as well as to develop according theoretical frameworks.

 

Lecture:

The lecture will address highly relevant and advanced topics of the field of soft matter and biological physics.

The following topics will be covered:

-        Natural and synthetic semiflexible polymers (cytoskeleton & DNA nanotechnology)

-        Statics and dynamics of networks/bundles of semiflexible polymers

-        Non-affine & non-linear behaviors in soft matter

-        Jamming transitions & glass-like behavior

-        Non-equilibrium fluctuations

-        Equilibrium self-assembly vs. non-equilibrium self-organization

-        Plasticity

-        Molecular motors & self-propelled particles

-        Active soft matter (active actin structures & cells)

-        Material properties in the development of tissues

-        Neurophysics

-        Physics of cancer

 

Seminar: Students will actively participate, e.g. giving talks or design posters about recent developments in the field..

Pflichtmodul für Lehramtsstudierenden für Gymnasium, Oberschule, Sonderpädagogik

Ziele:
Die Studierenden vertiefen die Ausbildung in Molekül- und Festkörperphysik. Sie
- erweitern ihre Kenntnisse zu den zentralen Inhalten der Molekül- und Festkörperphysik,
- verstehen die wesentlichen Phänomene, die das Verhalten kondensierter Materie kennzeichnen,
- wenden die grundlegenden Konzepte auf entsprechende Fragestellungen in der modernen Spektroskopie und Materialforschung an
- evaluieren diesbezügliche wissenschaftliche und technologische Entwicklungen
- lösen Aufgaben aus diesen Bereichen

Inhalt:
Molekülphysik 2
1. Theorie der chemischen Bindung
2. Quantenmechanische Behandlung von Molekülspektren
3. Wechselwirkung von Molekülen mit elektromagnetischer Strahlung
4. Magnetische Resonanz

Festkörperphysik 2
1. Dynamik an Kristallstrukturen
2. Thermische Eigenschaften
3. Elektronische Bänder
4. Dielektrische und magnetische Eigenschaften (Supraleitung)

Teilnahmevoraussetzungen:
Staatsexamen Höheres Lehramt an Gymnasien Physik: Teilnahme am Experimentalphysikmodul 12-PHY-L-EP5

Literaturangabe:
- Groß, Marx, Festkörperphysik
- Atkins, de Paula, Physikalische Chemie


- W. Demtröder "Experimentalphysik" Band III, Springer-Verlag 2009
- Haken/Wolf, Molekülphysik und Quantenchemie, Springer Verlag 2006
- Kittel, Ch., Einführung in die Festkörperphysik, Oldenbourg Verlag 2005
- Bergmann/Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Band 6, Verlag de Gruyter 2005


Prüfungsvorleistungen:
Ab WS 2017/18: ---
Vor WS 2017/18; Der Prüfungsleistung 'Mündliche Prüfung (30 Min.)' (Modulabschlussprüfung) ist folgende Prüfungsvorleistung zugeordnet: Regelmäßig ausgegebene Übungsaufgaben zu Fragen aus dem Bereich des Modulinhalts. Für die Lösung werden Punkte vergeben. Voraussetzung für die Zulassung zur mündlichen Prüfung ist der Erwerb von 50% der möglichen Punkte des gesamten Semesters.
Moduleinstufung im Wahlbereich:

Target: BSc IPSP and BSc Physics in 3rd to 6th semester. Priority will be given to 6th semester students.

Ziele:

The students will acquire knowledge and expertise on fundamental physical techniques that are important in the analyses and investigations of biological systems. They will also acquire introductory knowledge in the structure and function of biological materials. In addition, the students will acquire expertise in understanding, discussing and evaluating scientific literature in which the biophysical techniques are applied. 

Lecture:

The lecture will focus on the various methods of biophysics that are fundamental in the analyses of biological systems and processes. The following topics will be dealt with:

- Structure of the cell

- Structure and dynamics of biomolecules

- Preparation and separation of biological molecules and complexes

- Mass Spectrometry

- Optical Spectroscopy (Absorption spectroscopy, Circular dichroism, Fluorescence spectroscopy, Vibration spectroscopy)

- Light Microscopy

- Atomic Force Microscopy

- Nuclear Magnetic Resonance

- Methods for structure determination (Electron microscopy, X-ray crystallography)

- Light- and Röntgen-scattering

- Calorimetry 

- Numerical Methods for structure modeling and bioinformatics

Seminar:

- Analyses of publications and presentations on selected methods.


no previous knowledge required

Open for bachelor and master students


After active participation in the module, students will be able to apply advanced concepts of soft matter and biological physics to understand and quantify fundamental concepts as well as to develop according theoretical frameworks.


Lecture:

The lecture will address highly relevant and advanced topics of the field of soft matter and biological physics.

The following topics will be covered:

-        Natural and synthetic semiflexible polymers (cytoskeleton & DNA nanotechnology)

-        Statics and dynamics of networks/bundles of semiflexible polymers

-        Non-affine & non-linear behaviors in soft matter

-        Jamming transitions & glass-like behavior

-        Non-equilibrium fluctuations

-        Equilibrium self-assembly vs. non-equilibrium self-organization

-        Plasticity

-        Molecular motors & self-propelled particles

-        Active soft matter (active actin structures & cells)

-        Material properties in the development of tissues

-        Neurophysics

-        Physics of cancer

 

Seminar: Students will actively participate, e.g. giving talks or design posters about recent developments in the field..