膠體體系玻璃化轉變過程中基本物理問題的實驗研究

《膠體體系玻璃化轉變過程中基本物理問題的實驗研究》是依託蘇州大學，由張澤新擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：膠體體系玻璃化轉變過程中基本物理問題的實驗研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張澤新
• 依託單位：蘇州大學

項目摘要

玻璃化轉變是凝聚態物理領域的重要課題。本項目利用軟物質物理實驗，選擇膠體粒子為體系，採用數字攝像顯微技術，來研究玻璃化轉變的微觀結構－動力學性質關係。研究的主體思想是：製備新型具有溫度敏感特性的智慧型膠體粒子，套用溫度原位改變膠體體系體積份數，配合數字攝像顯微技術的原位連續觀察和粒子跟蹤程式，來量化玻璃化轉變過程中膠體粒子的微觀位置及其隨時間的變化，從而直觀和精確地研究玻璃化轉變過程中體系的微觀結構演變，動力學變化，協同重組區和粒子串（簇）的形成，以及動力學不均一性等物理問題。另外，通過向膠體體系添加聚合物分子來實現熵致耗盡空缺效應，準確地控制膠體粒子間的相互排斥和吸引作用，從而研究粒子相互作用對玻璃體系微觀結構和動力學等上述問題的影響。本研究結果不但可以與現有理論模型進行定量比較，加深對玻璃化轉變本質的理解，而且可以為如何調控粒子間的相互作用，為設計玻璃材料提供指導。

結題摘要

玻璃化轉變是凝聚態物理領域的重要課題。國內外對玻璃化轉變的研究，相比於大量的模擬和理論工作，實驗工作較少，主要是因為缺少合適的物理模型體系。本項目從實驗角度研究了膠體模型體系玻璃化轉變。主體研究思路：設計合成模型膠體體系，採用數字攝像顯微和粒子跟蹤等實驗技術，來研究膠體玻璃化轉變微觀結構和動力學。主要研究成果包括以下四個方面：（1）吸引膠體玻璃的動力學不均勻性。設計了粒子間相互作用可調的吸引膠體體系，研究了吸引作用對玻璃的結構和動力學的影響，研究發現具有吸引作用的膠體玻璃動力學更加緩慢，動力學不均勻性更強，而且玻璃在弛豫時，更大量的粒子參與了重排行為。這些結果直接證明了模耦合理論有關吸引玻璃存在的預測，並且在實空間上觀察到了吸引玻璃和排斥玻璃結構和動力學的不同， 明晰的吸引作用影響的微觀機制。（2）吸引膠體體系的無序-有序轉變。 我們利用前文提到的可控的吸引膠體體系，通過調節吸引力梯度，從無序的膠體液體，來製備有序的膠體晶體。由於吸引力可以控制膠體粒子成核區域， 防止多次成核，成功製備了大面積（達到樣品尺寸-厘米級）的膠體晶體。（3）新型膠體模型體系的製備與表征。傳統的模型膠體體系通常是球形，非球形膠體不但具有平動自由度，而且還具有轉動自由度， 因此會產生更豐富的凝聚態物理結構和動力學行為，這種粒子構成的膠體玻璃將具有平動和轉動兩種玻璃共存的奇特行為。這裡我們通過溶脹和種子聚合的方式，製備了碗狀、半球、橢球和雪人狀等一系列非球形膠體，電子顯微鏡等表征技術證明粒子形狀規則、尺寸均勻，是良好的模型膠體體系， 為進一步研究非球形膠體玻璃化轉變奠定基礎。（4）三維軟球膠體體系接近玻璃化和jamming轉變區的結構和動力學研究。這一工作將本人二維軟球膠體研究推廣到了三維體系， 更具有普遍性。通過雷射共聚焦顯微鏡技術和三維粒子跟蹤，計算得到了體系接近轉變點的對關聯函式和均方位移等結構和動力學性質。其中對關聯函式第一峰的非單調變化規律很好地印證了jamming理論的預測。本項目的研究結果不但可以與現有理論模型進行定量比較，加深對玻璃化轉變本質的理解，而且可以為如何調控粒子間的相互作用，從而設計玻璃提供指導。另外，設計合成的新型膠體模型體系， 打破了傳統的單一球形膠體的限制，將為進一步研究膠體體系的玻璃化轉變、膠體結晶和膠體凝膠化行為奠定基礎。