吸引相互作用下胶体体系的结晶与玻璃化转变

论文摘要

结晶和玻璃化转变是自然界最常见的物理现象,对于其机理的研究是凝聚态物理中的重要课题。虽然原子、分子和胶体等多种物质体系都可以发生结晶和玻璃化转变,但由于原子和分子体系具有不便于直接观察和研究的缺点,胶体体系近年来逐渐成为了研究结晶和玻璃化转变的主要模型体系。在一定条件下,胶体体系不但可以形成与原子和分子体系类似的晶态和玻璃态,而且研究人员可以使用摄像显微技术对胶体体系进行观察、记录和定量分析,为研究体系的凝聚态结构与动力学提供了物质基础和实验手段。本文通过设计新颖的胶体体系,定量而系统地研究了具有吸引相互作用的胶体体系的结晶和玻璃化转变。首先,本文利用了胶体圆球体系,通过对粒子施加吸引相互作用研究了有限尺寸体系的结晶行为。其次,本文利用了胶体椭球体系,通过改变胶体椭球粒子间的相互作用,研究了粒子间的相互作用对胶体椭球玻璃态动力学的影响。取得的主要研究结果如下:1.有限尺寸胶体体系的结晶我们通过设计具有吸引相互作用的胶体圆球体系,在实验上研究了有限小尺寸胶体体系的二维结晶相变。通过计算和分析径向分布函数、泰森多边形以及取向序参量,我们发现有限小尺寸体系的结晶是从中央高密度区域开始,随着结晶的进行,周围液相减小而晶相增加,最后完全转变为晶态的过程。体系结晶速率呈现两个阶段:在结晶初期中央高密度区域发生热力学失稳降低了结晶自由能能垒,使得体系快速结晶;随后晶相长大热力学失稳状态消失,体系结晶晶速率变慢。此外,我们通过统计有序度参量的分布发现:在结晶过程中,序参量出现双峰分布,分别对应液相和晶相,这与大尺度胶体体系的二维结晶行为一致,说明序参量分布的变化规律是二维结晶相变的重要特征。2.吸引力作用下椭球体系的玻璃化转变我们通过物理手段改变胶体椭球粒子之间的相互作用,在实验上探究了粒子间的吸引作用对胶体椭球玻璃态结构和动力学的影响。当粒子间相互作用从排斥转变到吸引并且吸引作用逐渐增大时,胶体椭球玻璃态在平动自由度和转动自由度都经历了迂回行为（re-entrant）,即从排斥玻璃态进入吸引液态,再进入吸引玻璃态。我们通过计算均方位移,自散射函数,取向关联函数以及统计平动和转动位移分布,发现平动和转动的动力学在吸引液态中最快,而在吸引玻璃中最慢。此外,通过计算四点极化率,我们发现平动和转动的动力学不均匀性在中间吸引液态中最弱,而在吸引玻璃中最强。这与体系中协同运动的粒子形成的团簇大小相对应:在中间吸引液态中团簇比较小对应较弱的动力学不均匀性;而在吸引玻璃中出现大团簇对应较强的动力学不均匀性。这些结果表明粒子间相互作用会改变胶体椭球的动力学行为,使体系的玻璃态在平动和转动两个自由度都发生玻璃化转变。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 胶体
•   1.2 硬球体系
•   1.3 胶体结晶
•     1.3.1 胶体晶体
•     1.3.2 经典成核理论
•     1.3.3 异相成核
•   1.4 胶体玻璃
•     1.4.1 玻璃化转变现象
•     1.4.2 玻璃化转变中的动力学不均匀性
•     1.4.3 协同重排区
•     1.4.4 吸引力作用下的胶体体系
•   1.5 本文的选题依据与研究内容
• 第二章 实验方法及数据处理
•   2.1 摄像显微技术
•   2.2 粒子追踪技术
• 第三章 小尺寸体系结晶
•   3.1 引言
•   3.2 实验部分
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 径向关联函数
•     3.3.2 泰森多边形
•     3.3.3 近邻粒子数统计
•     3.3.4 取向序参量
•   3.4 总结
• 第四章 吸引力作用下椭球体系玻璃态的转变
•   4.1 引言
•   4.2 实验部分
•   4.3 分析与讨论
•     4.3.1 平动玻璃态的转变
•       4.3.1.1 相图
•       4.3.1.2 均方位移
•       4.3.1.3 自散射函数
•       4.3.1.4 平动位移分布
•       4.3.1.5 平动的动力学不均匀性
•       4.3.1.6 平动的协同运动
•       4.3.1.7 平动团簇大小分布
•     4.3.2 转动玻璃态的转变
•       4.3.2.1 相图
•       4.3.2.2 均方位移
•       4.3.2.3 取向关联函数
•       4.2.3.4 转动位移分布
•       4.2.3.5 转动的动力学不均匀性
•       4.2.3.6 转动的协同运动
•       4.2.3.7 转动团簇的分布
•   4.4 总结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 全文总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间公开发表的论文及科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 贝帮坤

导师: 张泽新

关键词: 胶体,晶体,玻璃,吸引力

来源: 苏州大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 苏州大学

分类号: O469

DOI: 10.27351/d.cnki.gszhu.2019.001526

总页数: 62

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