悬浮粒子体系经亚稳态的无序-有序相变有关问题的研究

胶体悬浮粒子比原子大得多，便于观测和检测，其相互作用可以人为调节。成为原子体系从时间和空间上都高度放大了的，研究凝聚态物质的有用模型体系。对该体系无序-有序相变的研究有助于深化人们对晶体生长规律的认识，是近年来国际上的热门课题。晶体生长中的经验规律Ostwald's step rule的普适性问题一直悬而未决。最近，我们首次证实了胶体悬浮粒子体系遵从该规律。在此基础上，根据由微观到宏观的物理力学研究思路，本项目建议从悬浮粒子的微观层次出发，通过改变粒子大小和表面特性等调节微观粒子相互作用，采用实验和计算机模拟结合的办法，深化对Ostwald's step rule普适性的认识，并进一步研究亚稳态-稳态相转变途径及有关动力学过程。内容还包括外加的剪切作用对相变过程和形成的胶体晶体性质的影响。作为模型体系的这些研究，对探索晶体生长的机制，控制相变过程以及在生产新材料方面的应用都具有重要意义。

胶体悬浮粒子比原子大得多，便于观测和检测，其相互作用可以人为调节，因而已成为原子体系从时间和空间上都高度放大了的，研究凝聚态物质的有用模型体系。对该体系无序-有序相变的研究有助于深化人们对晶体生长规律的认识，是近年来国际上的热门课题。. 晶体生长中的经验规律奥氏分步律(Ostwald’s step rule)的普适性问题一直悬而未决。本项目在我们首次证实胶体悬浮粒子体系遵从该规律的基础上，从悬浮粒子的微观层次出发，通过改变粒子大小和表面特性等调节微观粒子相互作用，采用实验和计算机模拟结合的办法，进一步研究亚稳态—稳态相转变途径及各相关参数对动力学过程的影响规律，以及剪切等作用下亚稳态和稳态相的相关性质，从而深化对奥氏分步律普适性的认识。取得的主要成果包括：. 通过实验研究了不同体积分数下胶体晶体液态—bcc亚稳态—fcc稳态的相转变过程，并针对实验结果提出和完善了可以表述由液态到亚稳态和亚稳态到稳态两个过程同时发生的理论模型和相关公式，从而为奥氏分步律的极个别的所谓“例外”提供了一个可能的解释。此外，建立的相关理论公式也适用于胶体晶体之外的其它体系的结晶过程。. 通过实验和计算机模拟较为系统地研究了剪切作用、粒子间相互作用、重力等作用对胶体晶体相转变过程、晶体结构和力学性质的影响。发现在液态-bcc-fcc相转变过程中，体系剪切模量明显低于理论值，表明胶体晶体的剪切模量不仅依赖于其结构，并且与其结构是否是亚稳态有很大关联。通过比较不同表面电荷粒子形成的胶体晶体，指出Sogami-Ise作用势可非常准确地解释胶体晶体的不均匀性问题，并结合计算机模拟，给出了带电胶体粒子在长程吸引相互作用的情况下体系结构随表面电荷的变化规律，发现体系除了从流体变成有序的bcc结构，然后形成fcc结构外，还发生了均匀到非均匀相转变，并观察到空穴的形成。采用耗散粒子动力学方法研究了软球粒子体系的相行为，发现该体系与普通的硬球或带电胶体粒子不同的相转变行为。. 基于上述研究，本项目已按计划顺利完成。