粒子形状引起的胶体两步玻璃化转变和结晶

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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自由能能垒引起的。我们测量了不同浓度粒子体系中的局部构型自由能能垒,发现随着粒子浓度的升高,能垒增大,抑制了粒子的转动行为,但是能垒对平动影响较小,粒子仍可以进行平动运动,因此导致体系发生了两步玻璃化转变。我们认为这种局部构型的能垒是发生两步玻璃化转变的物理机制。2.胶体粒子形状诱导的二维结晶我们设计和构建了形状可变的胶体椭球体系,该体系可以通过调节温度在原位改变体系中粒子的形状。我们首先利用胶体椭球粒子形成胶体玻璃,然后通过连续改变粒子长径比诱导体系结晶。通过计算体系的取向序参量、径向分布函数和取向序关联函数,我们发现体系在椭球粒子的长径比减少到~1.3时,开始结晶。随着粒子长径比不断减小,粒子会形成不稳定的晶体团簇并且缓慢增大;当长径比减小到~1.1时,体系开始出现稳定的晶体团簇,团簇随着长径比的进一步减小迅速增大。该研究揭示了粒子形状对胶体结晶的重要作用,为结晶理论的发展提供了新的实验线索。
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