懸浮粒子體系經亞穩態的無序-有序相變有關問題的研究

《懸浮粒子體系經亞穩態的無序-有序相變有關問題的研究》是依託中國科學院力學研究所，由徐升華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：懸浮粒子體系經亞穩態的無序-有序相變有關問題的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：徐升華
• 依託單位：中國科學院力學研究所

項目摘要

膠體懸浮粒子比原子大得多，便於觀測和檢測，其相互作用可以人為調節。成為原子體系從時間和空間上都高度放大了的，研究凝聚態物質的有用模型體系。對該體系無序-有序相變的研究有助於深化人們對晶體生長規律的認識，是近年來國際上的熱門課題。晶體生長中的經驗規律Ostwald's step rule的普適性問題一直懸而未決。最近，我們首次證實了膠體懸浮粒子體系遵從該規律。在此基礎上，根據由微觀到巨觀的物理力學研究思路，本項目建議從懸浮粒子的微觀層次出發，通過改變粒子大小和表面特性等調節微觀粒子相互作用，採用實驗和計算機模擬結合的辦法，深化對Ostwald's step rule普適性的認識，並進一步研究亞穩態-穩態相轉變途徑及有關動力學過程。內容還包括外加的剪下作用對相變過程和形成的膠體晶體性質的影響。作為模型體系的這些研究，對探索晶體生長的機制，控制相變過程以及在生產新材料方面的套用都具有重要意義。

結題摘要

膠體懸浮粒子比原子大得多，便於觀測和檢測，其相互作用可以人為調節，因而已成為原子體系從時間和空間上都高度放大了的，研究凝聚態物質的有用模型體系。對該體系無序-有序相變的研究有助於深化人們對晶體生長規律的認識，是近年來國際上的熱門課題。晶體生長中的經驗規律奧氏分步律(Ostwald’s step rule)的普適性問題一直懸而未決。本項目在我們首次證實膠體懸浮粒子體系遵從該規律的基礎上，從懸浮粒子的微觀層次出發，通過改變粒子大小和表面特性等調節微觀粒子相互作用，採用實驗和計算機模擬結合的辦法，進一步研究亞穩態—穩態相轉變途徑及各相關參數對動力學過程的影響規律，以及剪下等作用下亞穩態和穩態相的相關性質，從而深化對奧氏分步律普適性的認識。取得的主要成果包括：通過實驗研究了不同體積分數下膠體晶體液態—bcc亞穩態—fcc穩態的相轉變過程，並針對實驗結果提出和完善了可以表述由液態到亞穩態和亞穩態到穩態兩個過程同時發生的理論模型和相關公式，從而為奧氏分步律的極個別的所謂“例外”提供了一個可能的解釋。此外，建立的相關理論公式也適用於膠體晶體之外的其它體系的結晶過程。通過實驗和計算機模擬較為系統地研究了剪下作用、粒子間相互作用、重力等作用對膠體晶體相轉變過程、晶體結構和力學性質的影響。發現在液態-bcc-fcc相轉變過程中，體系剪下模量明顯低於理論值，表明膠體晶體的剪下模量不僅依賴於其結構，並且與其結構是否是亞穩態有很大關聯。通過比較不同表面電荷粒子形成的膠體晶體，指出Sogami-Ise作用勢可非常準確地解釋膠體晶體的不均勻性問題，並結合計算機模擬，給出了帶電膠體粒子在長程吸引相互作用的情況下體系結構隨表面電荷的變化規律，發現體系除了從流體變成有序的bcc結構，然後形成fcc結構外，還發生了均勻到非均勻相轉變，並觀察到空穴的形成。採用耗散粒子動力學方法研究了軟球粒子體系的相行為，發現該體系與普通的硬球或帶電膠體粒子不同的相轉變行為。基於上述研究，本項目已按計畫順利完成。