„Podst. fiz. mat. skond.: I. Kryształy i miękka materia"

1. WIĄZANIA CHEMICZNE W CZĄSTECZKACH I CIELE STAŁYM. Klasyfikacja: wiązania silne (kowalencyjne, jonowe, metaliczne, rola elektroujemności) i słabe (van der Wasala, wodorowe). Dokładna charakterystyka wiązania jonowego i van der Waalsa w kryształach (energia spójności). Jedno-elektronowy (orbitalne molekularne) opis wiązania kowalencyjnego. Hybrydyzacja orbitali atomowych, kierunkowość wiązań kowalencyjnych i 1-, 2-, 3-wymiarowe struktury atomowe. Fullereny i nanorurki.

2. STRUKTURA KRYSZTAŁÓW. Sieć prosta (komórka elementarna, wskaźniki Millera, operatory symetrii) i odwrotna (odległość między-płaszczyznowa). Symetria sieci (twierdzenie o osiach obrotu, 7 układów krystalograficznych, 32 grupy punktowe, 14 sieci Bravais, prawa nt. morfologii kryształu). Struktury krystaliczne (hcp, fcc, bcc, binarne) i ich obrazowanie wprost (mikroskopia skanującego próbnika STM i AFM, mikroskopia elektronowa). Międzynarodowe tablice krystalograficzne. Kryształy aperiodyczne i nowa definicja kryształu.

3. DYFRAKCJA NA KRYSZTALE (teoria kinematyczna). Warunki dyfrakcji (Lauego, Ewalda, Bragga, granice stref Brillouina). Amplituda rozpraszania a rozmieszczenie atomów w komórce elementarnej. Metody dyfrakcji monokryształów (Lauego, obracanego kryształu, dyfraktometr 4-kołowy) i polikryształów (kamera Debyea-Scherrera, dyfraktometr proszkowy, dyspersja kątowa i energetyczna). Dyfrakcja elektronów [efekt kształtu] i neutronów [rozpraszanie (nie)spójne, (nie)elastyczne, jądrowy i magnetyczny czynnik strukturalny].

4. DYNAMIKA ATOMÓW W SIECI KRYSTALICZNEJ: w jedno-wymiarowej jednoatomowej i dwuatomowej. [przybliżenia: adiabatyczne, harmoniczne, mechaniki klasycznej; stopnie swobody, drgania normalne]. Gałęzie akustyczne i optyczne w relacji dyspersji, gęstość stanów w przestrzeni pędu i częstości. Energia drgań sieci (opis klasyczny a kwantowy). Fonony jako kwanty energii drgań normalnych (statystyka Bosego-Einsteina). Fononowa spektroskopia niesprężystego rozpraszania neutronów.

5. WŁASNOŚCI TERMICZNE SIECI KRYSTALICZNEJ. Model klasyczny (prawo Dulonga-Petita) i modele kwantowe ciepła właściwego: (dynamiki sieciowej,) Einsteina (drgania optyczne) i Debye'a (drgania akustyczne). Kalorymetria adiabatyczna i różnicowa skaningowa.

6. A. KRYSZTAŁY A MATERIA MIĘKKA B. DIAGRAMY FAZOWE I PRZEJSCIA FAZOWE. Przykłady uporządkowania i diagramów fazowych dla kryształów (a)periodycznych, kryształów z elektronami (magnetyzm, polaryzacja elektryczna, nadprzewodnictwo). Przykłady uporządkowania i diagramów fazowych materii miękkiej: ciekłych kryształów termotropowych i liotropowych, układów koloidalnych i polimerowych. Cechy charakterystyczne materii miękkiej (skale mezoskopowe, fluktuacje termiczne/ ruchy Browna, samo-organizacja). Klasyfikacja Ehrenfesta przejść fazowych. Parametry porządku. Teoria Landaua. Wykładniki krytyczne (hipoteza skalowania, prawa skalowania).

7. CIEKŁE KRYSZTAŁY (C.K. TERMOTROPOWE). Mezogeny pręto- i dysko-podobne. Porządek orientacyjny i ograniczony porządek pozycyjny. Fazy CK (nematyczna, chiralna, smektyczne). Parametry porządku (nematyka, smektyka) i teorie porządku (Maier-Saupe, Landau-de Gennes). Przejścia fazowe (I-N, I-N-A). Identyfikacja faz CK (tekstury, wzory dyfrakcyjne). Przejście Freedericksz'a i wyświetlacze CK.

8. SAMO-ORGANIZACJA SUPRAMOLEKULARNA Rola oddziaływań niekowalencyjnych i ruchów Browna. Samo-organizacja molekuł amfifilowych w rozpuszczalniku (warstwy surfaktantów, mezostruktury, lipotropowe CK). Samo-organizacja molekuł układów koloidalnych (mikro-emulsje i 3-składnikowe struktury uporządkowane, zole i kryształy koloidalne). Samo-organizacja makro-faz (mieszaniny homopolimerów) i mikro-faz (kopolimery) polimerów.

Literatura:

- C. Kittel, Wstęp do fizyki ciała stałego, PWN, Warszawa 1976, 1999

- H. Ibach, H.Lueth, Fizyka ciała stałego, PWN, Warszawa 1996

- Encyklopedia fizyki współczesnej, PWN, Warszawa 1983

- M. Van Meersche, J. Feneau-Dupont, Krystalografia i chemia strukturalna, PWN, Warszawa 1984

- I.W. Hamley, Introduction to soft matter, J. Wiley & Sons, NY 2000

- R.A.L. Jones, Soft condensed matter (Oxford master series in condensed matter physics),

Oxford Univ. Press 2002

- A. Szytuła, Wybrane zagadnienia z fizyki ciała stałego, skrypt UJ, Krakow 1984

- P.J. Collings, Liquid crystals, Princeton Univ. Press 2002

-G. Strobl, Condensed matter physics (crystals, liquids, liquid crystals, and polymers), Springer, Berlin 2004

- A.Yu. Grosberg, A. R. Khokhlov (foreword by P.-G. de Gennes), Giant molecules,

Academic Press, NY 1997

Programy dydaktyczne z krystalografii (dzięki uprzejmosci Dr K. Stróża, IFCh Uniw. Śląski)

Grupa Nanowarstw Makromolekuł Zakładu Inżynierii Nowych Materiałów

Uniwersytetu Jagiellońskiego

„Podst. fiz. mat. skond.: I. Kryształy i miękka materia"