Insegnamento obbligatorio per la Laurea Magistrale in Physics of Complex Systems, collocato al II pd del I anno.
In questo insegnamento viene approfondita la conoscenza della fisica statistica, iniziata in Introduction to quantum mechanics, quantum statistics and field theory, con particolare attenzione alle sue applicazioni alla fisica dei sistemi biologici. A questo scopo si introducono anche alcuni elementi di base della dinamica dei fluidi e della biologia molecolare.

Lo studente deve acquisire una conoscenza approfondita della fisica statistica, delle sue metodologie e delle sue relazioni con la teoria dell'informazione. Deve inoltre acquisire alcuni elementi di base della dinamica dei fluidi e della biologia molecolare e deve imparare ad applicare le tecniche della fisica statistica ad alcuni problemi di fisica dei sistemi biologici, in particolare nel campo dei biopolimeri.

Elementi di base della fisica statistica, in particolare dell'ensemble canonico.

Funzione di partizione, energia libera, entropia.
Sistemi ideali. Sistemi interagenti: modello di Ising e transizione di fase. Metodi di approssimazione per sistemi interagenti: campo medio e generalizzazioni, Bethe-Peierls e belief propagation.
Sviluppi alle basse e alte temperature, dualità. Energia libera del modello di Ising in 2 dimensioni.
Il modello XY in 2 dimensioni.
Introduzione al gruppo di rinormalizzazione in spazio reale.

Cinematica del corpo continuo (descrizione lagrangiana ed euleriana, moto rigido, teorema del trasporto di Reynolds), dinamica del corpo continuo (principio di conservazione della massa, principio di conservazione della quantità di moto e del momento angolare, teorema degli sforzi di Cauchy e tensore degli sforzi), meccanica dei fluidi (assunzioni costitutive per fluidi ideali e viscosi, numero di Reynolds, soluzioni delle equazioni di Navier-Stokes in semplici situazioni).

Introduzione alla biologia molecolare: la cellula, piccole molecole, proteine e acidi nucleici.
Tensione di una singola molecola di DNA: esperimenti, la catena Freely Jointed, la catena cooperativa unidimensionale, la catena worm-like.
Denaturazione termica del DNA: esperimenti, modello zipper, modello di Poland-Scheraga.
La transizione elica-coil. Collasso dei polimeri: teoria di Flory. Collasso di polimeri semiflessibili: modelli reticolari, modello a tubo.
Il self-avoiding walk e il modello O(n).
Introduzione a folding e design di proteine. Folding di RNA e struttura secondaria. Unfolding meccanico di proteine e RNA.
Motori molecolari.

M. Plischke and B. Bergersen, Equilibrium statistical physics, World scientific
R.K. Pathria and P.D. Beale, Statistical mechanics, Academic Press
L. Peliti, Statistical mechanics in a nutshell, Bollati Boringhieri
J.P. Sethna, Entropy, order parameters and complexity, Clarendon
K. Sneppen and G. Zocchi, Physics in molecular biology, Cambridge
P. Nelson, Biological Physics, Freeman
B. Alberts et al, Molecular biology of the cell, Garland
Verranno messi a disposizione appunti di lezione e slides.

L'esame consiste di 2 prove orali, una per Fisica Statistica e una per Biofisica.
Entrambe le prove tipicamente consistono di domande su 2-3 argomenti, il primo dei quali è scelto dello studente.