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물리화학 III
이과대학 화학과
전승준
2007년 2학기
물리화학 III (타학과)
전승준
과학 (Science)
• 배우는 목적
- 과학적 지식의 축적 (자연현상의 이해)
- 과학적 방법 습득
합리적, 논리적, 분석적, 귀납적
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과학적 방법(Scientific Method)
관찰
가설
수정
예측
법칙
모형 & 이론
예측
수정
실험 검증
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과학이란?
• 궁극적인 원리를 알지는 못함.
즉 WHY 가 아닌 HOW
• 자연 현상의 이해 = Pattern(규칙성) 의 이해
- Pattern은 수학적으로 표현
- 증명은 Pattern 에 의하여 예측된 현상의 관찰
- 서로 관계가 없는 듯한 현상 사이에 같은 Pattern으로 행동
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아리스토텔리스 명제 :
일반적 구어 :
“ 모든 사람은 죽는다”
과학적 구조로 표현 : 일반적 구어 보다 복잡
“ 모든 x 에 대하여 만일 x가 사람이라면 x는 죽는다 ”
( 장점: 관련된 중요한 패턴들을 직접적으로 주목가능 )
단어과 구 대신 논리적 기호
술어(대상,대상,…) 아님-술어(대상, 대상….)
모든 혹은 모든 ….에 대하여(All) : ∀
어떤 혹은 존재한단(Ether) : ∃
“∀x : 사람임(x) → 죽음(x) ”
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화학 : 원자력 발전사고 후 대기중 방사능 양의 시간에 따른 변화
물리학 : 뉴턴의 냉각법칙
심리학 : 학습에 관한 연구(Hullian learning curve)
의약 : 약물의 정맥류 확산율(rate of intravenous infusion)
사회학 : 대중매체를 통한 정보의 확산
경제학 : 가치하락 현상, 신상품의 매출, 사업의 성장
Pattern : 한계성장(limited growth)
미분방정식 :
dM
rk

dt
rM
미분방정식의 해 :
k
M (t ) 
r (1  e rt )
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자연과학(기초과학) 학문분야
• 수학 : Tool , 논리
• 물리학 : 근본적 원리(단순계, 변수의 최소화)
• 화학 : 원리(복잡계, 근사적), 물질 합성
• 생물학 : 생체
• 지구과학 : 지구상 물체
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자연과학의 관점적분류
• 거시적(Macroscopic)
물리학,화학 - 고전역학
생물학, 지구과학 – 눈, 현미경,망원경 관찰
• 미시적(Microscopic) – 20세기에 발전
물리학, 화학 – 양자역학, STM
생물학, 지구과학 – 분자들의 관찰, 분광학
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화학이란?
물질의 성질과 변화(반응)을 연구하는 학문
• 물리화학 : 원리
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분석화학 : 물질의 분석
이론 및 계산 화학 : 원리의 이론 및 계산적 연구
• 유기화학 : 유기물질
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무기화학 :무기물질
생화학 :생체분자
고분자화학 : 고분자
재료화학 : 소재분자
환경화학 : 환경물질
표면화학 : 물체표면
나노화학 : 나노물질
………
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물리화학의 학문적 위치
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물리화학이란?
주위의 화학의 연구대상(화합물)에 대하여 물리학의 원리를 이용하
여 화합물의 구조와 성질, 변화를 연구하는 학문
주요 학문 분야
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열역학 : 거시적 관점, 평형
양자화학 : 미시적 관점, 분자
분광학 : 양자화학의 원리를 이용하여 물질의 구조,성질,변화 관찰법
반응속도론 : 화합물의 변화
통계열역학 : 미시적 관점의 성질과 거시적 관점의 성질의 연관
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LIGHT-HARVESTING ANTENNA MODEL
[J. Am. Chem. Soc., 125, 2372 (2003)]
Yoshiaki Kobuke(the Nara Institute of Science & Technology)
A supramolecular ring of
porphyrin dimers synthesized
in Japan mimics a circular
assembly of light-harvesting
bacteriochlorophyll molecules
in photosynthetic bacteria.
Professor of materials
science Yoshiaki Kobuke
prepared the porphyrin
macroring by self-assembly
of six phenylene-bridged
porphyrin dimers with a gable
structure
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Attosecond laser methods
[Nature, 419, 803 (2002)]
Markus Drescher (the University of Bielefeld, Germany)
Ferenc Krausz (Vienna University of Technology, Austria)
Using newly developed attosecond laser methods, Markus Drescher
of the University of Bielefeld, Germany; Ferenc Krausz of Vienna
University of Technology; and coworkers probed inner-shell
electronic rearrangements in atoms in real time.
Krausz tells that these inner-shell processes could not be probed at
all in the time domain previously because neither the duration nor
the photon energy of femtosecond laser pulses was satisfactory.
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[Nature, 417, 722 and 725 (2002)]
Hongkun Park at Harvard University and Jeffrey R. Long
of the University of California, Berkeley
Paul L. McEuen at Cornell University
Single molecules of metal complexes
govern nanoelectronic properties
Two research groups independently
report taking another key step toward
creating tomorrow’s molecular
electronic devices. The scientists
fabricated and tested transistors in
which one molecule of a transition- IN THE GAP Single-molecule electronic
are based upon the properties of a
metal organic complex bridges the devices
lone molecule trapped in a nanosized gap
nanometer-scale gap between the between electrodes. A Harvard-Berkeley
devices’ electrodes and dictates their team prepared devices based on a complex
with two vanadium atoms (top), while a
electronic properties
Cornell team studied cobalt-terpyridinyl
complexes (bottom)
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전승준
[Nature, 418, 207 (2002)]
Kurt Wüthrich of the Swiss Federal Institute of Technology,
Arthur L. Horwich of Yale University
HUGE PROTEIN ANALYZED BY NMR
Now researchers have
made nearly an order of
magnitude leap in the
mass range of proteins
amenable to NMR
analysis by analyzing
the GroEL-GroES
chaperone system, a
huge 900-kDa protein
complex. Chaperones
help proteins fold into
their native states
2007년 2학기
CHAPERONE In the
GroEL-GroES
complex (shown
here in surface and
cross-sectional
representations),
GroES (white) and
both halves of
GroEL (multicolored
and gold) are each
made up of seven
identical subunits
(highlighted in
multicolored
segment of GroEL).
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Magnetic and semiconducting nanowires using
a virus-based scaffold [Science, 303, 213 (2004)].
VIRAL WIRES Nanoparticles nucleate and become ordered at peptide sites
along the "shaft" portion of the pencil-shaped M13 bacteriophage.
Annealing removes the virus scaffold to give a solid nanowire.
The group uses an evolutionary screening
process to find peptides that can control
various features of inorganic nanoparticle
nucleation. Then they genetically engineer
the pencil-shaped M13 bacteriophage so
that the virus's capsid incorporates a
specific peptide on the surface of its shaft.
The desired inorganic compound nucleates
at the peptide sites and becomes ordered
onto the virus scaffold. High-temperature
annealing removes any organic materials,
leaving the inorganic particles to collapse
into the space formerly occupied by the
virus to form a nanowire.
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03’ Nobel Prize for Chemistry
Nature 2003, Vol 423, pp33-48
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Structure of voltage dependent K-channel (tetramer)
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Comparison of voltage gating mechanisms
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Nanoparticle-Based Bio-Bar Codes for the Ultrasensitive Detection of Proteins
[Science 301, 2003: 1884-1886] Chad A. Mirkin(Northwestern U)
Tiny Particles Flag Scarce Proteins
One-two punch. New detection technique tows a protein into place
magnetically, then signals its presence by releasing DNA.
Their target was prostate-specific antigen (PSA), a protein that can
indicate prostate cancer in men and that is also being investigated as a
possible marker for breast cancer in women. To detect PSA, Mirkin and
his students started with two types of particles: 1-micrometer plastic
spheres with magnetic iron cores, and much smaller nonmagnetic gold
nanoparticles. The researchers linked the iron particles to genetically
engineered proteins called monoclonal antibodies, designed to bind to
PSA using the same molecular handle. They linked the gold
nanoparticles to "polyclonal" antibodies designed to bind to PSA at
different sites, and they also tagged them with thousands of snippets of
single-stranded DNA bound to even shorter complementary strands.
These short strands served as "bio-bar codes" for identifying the
protein--in this case PSA--to which the nanoparticles bound.
For their experiments, Mirkin and his students added both sets of
nanoparticles to solutions containing PSA proteins. Both the monoclonal
and polyclonal antibodies bound to the PSA, sandwiching the target
proteins between the particles. The Northwestern researchers then
turned on a magnetic field to attract the magnetic particles to the side of
the test tube. If PSA was present, both it and any attached DNA-toting
nanoparticles were dragged along as well. The researchers then used
another standard solution to make the DNA snippets release the "bar
code" strands and tested for the bar codes using standard DNA
detection schemes.
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