非球形胶体形成的二维有序相的结构与动力学

Ordered phases including crystals and liquid crystals of non-spherical colloids have great potential in applications due to their rich structures. It has become a hot research topic to fabricate new functional material by rationally designing appropriate structures of ordered phases. However, our understanding of ordered phases of non-spherical colloids are still far from complete, and need to be further investigated, especially it is in urgent need to develop a theoretical model for the structure-dynamics relation in ordered phases. In this project, we plan to use two-dimensional ordered phases formed by non-spherical colloids as model systems, to investigate the structure-dynamics relation in both two-dimensional colloidal crystals and two-dimensional liquid crystals, by studying the particles' dynamics in different ordered phases using particle tracking techniques. Simulations will also be performed using both molecular dynamics and Monte Carlo methods. The goal is to elucidate the structure-dynamics relation in two-dimensional order phases of non-spherical colloids. This project will improve our theoretical picture of ordered states of colloids, and will provide bases for applications of such ordered phases of non-spherical colloids in material field.

非球形胶体有序相（包括晶体和液晶）因其丰富的结构而具有潜在的巨大应用价值。设计不同的有序结构制备新型功能性材料，成为近年来的研究热点。然而人们对于非球形胶体有序相的了解尚不充分，特别是其结构与动力学关系的理论框架亟需建立。本项目拟以非球形胶体形成的二维有序相为例，利用粒子显微追踪技术，通过研究不同的有序相中颗粒的运动行为及其演变，揭示非球形胶体二维有序相的结构与动力学关系；并结合分子动力学和蒙特卡罗模拟研究，尝试建立非球形胶体二维有序相的结构与动力学关系的理论框架。该研究将有助于完善胶体有序相包括晶体和液晶的理论架构，并为非球形胶体有序相在相关材料领域的应用提供理论依据和实验基础。

随着人们对新型功能性材料的需求越来越迫切，非球形胶体体系因其可形成丰富多样的有序结构而备受关注。然而，人们对于非球形胶体有序相的了解尚不充分，特别是其结构与动力学关系还有待于进一步研究。为此，在本项目中，项目申请人以非球形胶体形成的二维有序相为例，利用粒子显微追踪技术，研究在不同的晶体和液晶结构、不同取向环境下，体系中颗粒的平动、转动及两者之间的耦合和颗粒间的协同运动；并结合分子动力学和蒙特卡罗模拟研究，进一步揭示非球形胶体二维有序相的结构与动力学关系。.本项目的主要研究结果包括：1）实验上，对正方形胶体体系，利用协方差矩阵方法，研究了其形成的hexagonal rotator crystal (RX)和rhombic crystal (RB)相中颗粒的协同运动，展示了颗粒的协同运动与有序结构特性的依赖关系；进一步研究了正三角形到正六边形胶体体系中的单粒子动力学和多粒子协同运动，阐释了颗粒形状、相态的有序性和颗粒动力学之间的关联；2）理论上，利用蒙特卡罗模拟系统地研究了风筝形胶体的相行为，发现了一种新的二维晶体相--四角矩形晶体相，揭示了分子取向为四角有序（tetratic-ordered）的相态可以由完全没有旋转对称性的胶体颗粒自组织形成，并得到了实验验证；针对二维体系的融化过程，首先利用布朗动力学模拟，系统地研究了具有不同圆角化程度的正六边形体系的二维融化过程，揭示了不同圆角化的正六边形颗粒的协同迁移动力学与其hexatic-isotropic(H-I)相变属性的关系，其次利用蒙特卡罗模拟，研究了由60度菱形颗粒形成的两种不同二维晶格的融化，阐释了其中不同的缺陷诱导融化的机制。.这些研究结果将有助于完善胶体有序相包括晶体和液晶的理论架构，并为非球形胶体有序相在相关材料领域的应用提供理论依据和实验基础。