粒子形状引起的胶体两步玻璃化转变和结晶

发布时间：2021-03-07 04:51

　　玻璃化转变和结晶是自然界中普遍存在的相变行为,也是凝聚态物理领域备受关注和极为重要的基础研究课题。胶体体系的出现,为研究玻璃化转变行为和结晶行为提供了优异的实验模型体系,可以实现在单粒子尺度上定量的研究体系的转变过程。近年来的研究发现,粒子的形状对体系的结构和弛豫动力学行为都有很重要的影响,在国际上受到广泛关注。然而由于缺少合适的模型体系,相关的实验研究依然匮乏。本文通过设计新颖的胶体体系,系统地研究了粒子形状引起的胶体玻璃化转变和结晶相变。其一是通过改变棒状胶体粒子的浓度研究体系的二维玻璃化转变行为。其二是利用胶体椭球粒子形状的连续改变来研究体系的二维结晶过程。取得的主要研究结果如下:1.棒状胶体粒子体系的二维玻璃化转变我们设计和制备了棒状胶体粒子,在实验上研究了二维棒状胶体粒子体系的玻璃化转变行为。通过对体系中间自散射函数和取向关联函数进行计算和分析,我们得到体系的平动和转动弛豫时间,利用模耦合理论拟合出了体系的玻璃化转变点,发现体系发生两步玻璃化转变:随着粒子浓度的升高,体系先发生转动玻璃化转变,再发生平动玻璃化转变。进一步研究表明,这种两步玻璃化转变是由粒子形状导致的局部构型的... 

【文章来源】：苏州大学江苏省

【文章页数】：61 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１．２．胶体硬球体系相图

粒子形状引起的胶体两步玻璃化转变和结晶?第一章绪论??，、?〔〇〇，ｉｆ?ｒ?＜?ｇ??ＶＷ?＝?ｌ〇，其它?ａｉ）??其中，ｒ表示粒子之间的距离，ａ是粒子对的半径之和。因此，从构型上讲，??整个体系的势能为０。从统计力学的角度来说，自由能的公式为：??３??Ｆ?＝?Ｕ－ＴＳ?＝－ＮｋｂＴ?（１．２）??其中ＡＡ为粒子数，ｋＢＳ玻尔兹曼常数。因此，硬球体系的自由能归根结底??是由熵来决定的，属于典型的无热体系，与温度无关，控制体系的唯一的参量是??体系的堆积分数，其形式为：??Ｏ?＝?ＮＶｐ／Ｖ?（１．３）??Ｗ为粒子总数，Ｖｐ是每个粒子的体积，Ｋ是整个体系的体积。图１．２给出了??硬球胶体体系随浓度变化的相图，在上世纪５０年代，科学家们通过计算模拟技??术，测得硬球体系的凝固点为〇ｆｒｅｅｚｅ?＝?〇．４９４，熔点为ｃｔｍｅｌｔｉｎｇ?＝?０．Ｓ４５?［１３］。上??世纪８０年代，Ｐｕｓｅｙ和Ｖａｎ?Ｍｅｇｅｎ两位科学家通过胶体实验，实现了硬球胶体??体系的相变。研究发现，在硬球体系中，当体积的堆积分数低于凝固点时，体系??为液态，如果快速增加堆积分数，就可以避免体系结晶，使体系形成过冷液??（ｓｕｐｅｒｃｏｏｌｅｄ?ｌｉｑｕｉｄ）或玻璃态［３，?８］。??ＨＣＰ?ＦＣＣ??ａ??图１．３硬球胶体晶体密堆结构示意图。??３??

性胶体粒子构成的模型更接近真实的分??子体系。椭球玻璃就是一种各向异性胶体模型。对于圆球体系，为了抑制胶体体??系随着体积分数的增加发生结晶，通常情况下，可以使用粒子尺寸双分散或多分??散的胶体体系来研究玻璃化转变行为。但是双分散或多分散体系中的微观结构会??比较复杂，难以阐明玻璃化转变过程中结构和动力学是否确实存在直接关联性。??然而近期的研究发现，对于非球形的胶体体系，利用粒子形状可以实现抑制体系??的结晶行为，因而可以直接使用单分散的非球形胶体体系来研宄玻璃化转变行为。??如图１．４给出了椭球胶体体系随形状变化的相图，当粒子在合适的长径比时，就??可以形成玻璃态。??广、—Ａ?｜！｜（?Ｉ??：■?Ｋｊｙ??１?￣２．５?长径比??Ｉ?１?１?１?＞??ｃｒｙｓｔａｌ?ｒｏｔａｔｏｒ?Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ?ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎａｌ?ｎｅｍａｔｉｃ??ｐｈａｓｅ?ｃｒｙｓｔａｌ?ｇｌａｓｓ?ｇｌａｓｓ?ｐｈａｓｅ??厂??图１．４椭球胶体体系的相图。单分散的椭球可以形成玻璃态。??１．３．３胶体玻璃化转变的基本特征??胶体体系在发生玻璃化转变的过程中，有一些重要参数和动力学特性会发生??改变，例如动力学不均匀性和牢笼效应。体系在发生玻璃化转变的过程屮，时??间和空间上都具有动力学不均匀性［１７－１９］。体系屮的粒了？在经过一段时间的弛豫??后，运动的速度会发生改变，这表现为时间上的动力学＋均匀性；此外，同一体??５??

【参考文献】：
期刊论文
[1]摄像显微技术在实验软物质物理中的应用[J]. 王华光,张泽新.  物理学报. 2016(17)
[2]胶体晶体制备与应用研究进展[J]. 于冰,丛海林,薛蕾,刘学松,陈昭晶.  科学通报. 2014(09)



本文编号：3068430