競爭相互作用下膠體體系微相分離的研究

《競爭相互作用下膠體體系微相分離的研究》是依託蘇州大學，由張天輝擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：競爭相互作用下膠體體系微相分離的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張天輝
• 依託單位：蘇州大學

項目摘要

許多物理和化學體系，在競爭相互作用下，通過微相分離，會形成各種圖案結構。由於觀測手段的限制，目前對微相分離的物理機制和圖案結構的微觀生長規律所知有限。本項目以具有短程吸引和長程排斥兩種競爭相互作用力的膠體體系為研究對象，研究微相分離的基本物理規律。本項目研究內容為：以實驗研究為主，結合理論模擬，系統研究短程吸引力和長程排斥力強度、膠體體積分數等物理參數對微相分離中團簇生長和凝膠相變等過程的影響；通過研究團簇生長和凝膠相變的動力學過程，深入了解微相分離的微觀物理規律；觀察外加電場對團簇生長和凝膠相變的影響，探索利用外場控制競爭相互作用力體系相分離和團簇生長過程，形成有序結構的有效途徑；膠體外形（非球形）對團簇結構和凝膠結構的影響。本項目的研究成果對控制蛋白凝聚、自組裝納米材料和食品工業等領域有重要科學指導意義。

結題摘要

短程吸引和長程排斥競爭的膠體體系展現出與眾不同的豐富相行為：在高固體體積分數條件下會形成柱體相和片層相等調製結構。但實驗上，此類熱力學穩定結構卻鮮有報導：實驗上的相分離過程通常都會停滯在類凝膠的無序結構。這類凝膠結構通常被認為是高體積分數下，相分離過程被凍結的結果。在本項目中，從凝膠結構出發，通過外場剪下，我們在競爭作用力膠體體系形成了類柱體結構；這種結構理論上比凝膠結構更穩定，會緩慢向片層結構演化。但實驗觀測發現，去掉剪下場後，類柱體結構並沒有向片層結構演化，而是逐漸恢復到類凝膠結構。這一結果和理論預期截然相反。一個可能的原因是理論上的熱力學平衡結構是在粒子尺寸均勻的情況下得到的；而實驗上的膠體顆粒通常存在一定的尺寸不均勻性，即分散度。通過分子動力學模擬我們發現，在競爭相互作用力體系，有序結構的穩定性對膠體顆粒的尺寸分散度非常敏感：當膠體顆粒尺寸的分散度接近或大於短程吸引力作用範圍與膠體尺寸比時，多分散膠體無法形成有序結構。理論計算表明，多分散體系可通過尺寸分離形成多晶結構（一種比凝膠結構更穩定的結構）。但高體積分數條件下，由於粒子間的相互阻礙效應，尺寸分離過程難以實現。為驗證尺寸分離的可行性，我們觀察了二維雙分散膠體體系的結晶過程。在快速“冷卻”過程中，不同尺寸的膠體粒子沒能發生分離，形成的依然是無序凝膠結構。為促進尺寸分離的發生， 我們通過緩慢逐步“冷卻”的方法，每一步都給體系足夠的弛豫時間，使之達到熱力學平衡態。作為結果，大小兩種不同的膠體顆粒成功實現了分離，形成了多晶結構。利用二維雙分散體系中快速“冷卻”得到的凝膠結構，我們測量了凝膠結構中的聲子振動模式。凝膠態和玻璃態是兩種熱力學上的典型亞穩態結構。在膠體玻璃中，實驗測量證實了低頻段振動模式的態密度存在一個玻色峰。而我們的觀測表明，凝膠態在低頻段也存在一個玻色峰。這說明凝膠態和玻璃態在振動模式上有類似的性質。最後我們利用電場對帶電膠體顆粒的極化效應，在三維膠體體系通過極化誘導了膠體顆粒間的電偶-電偶相互作用。通過這種具有方向性的相互作用，粒子間存在一個短程的電偶-電偶吸引和長程的電偶-電偶排斥作用。在這兩種相互作用力下，膠體顆粒首先形成線性結構，然後通過摺疊形成四方結構。通過電場誘導的電偶-電偶相互作用力，我們也成功實現了隨機密堆積結構向體心四方結構的轉變。