吸引势胶体粒子组成的二维晶体的熔化

Two-dimensional crystal melting is qualitatively different from the three-dimensional melting, and continued to be a key research topic in condensed matter physics. Compared with monolayer atomic crystals, monolayer colloidal crystals are influenced little by substrates and enable the observation of single-particle dynamics. Consequently colloids have been served as important model systems for the study of two-dimensional melting. Previous colloidal crystals melting experiments have only employed purely repulsive colloidal particles, which cannot well mimic atoms and molecules which all have attractive interactions. Recently we fabricated colloidal particles with finely tunable attractions, which enable us to explore the melting of two-dimensional crystals composed of attractive particles at the single particle level for the first time...In the preliminary experiments, we found that the two-dimensional crystals melted into a highly structured liquid via the formation of grain boundaries as a first-order phase transition. Unlike the commonly observed KTHNY melting scenario, this grain-boundary mediated melting scenario has been proposed in theory but has rarely been observed in experiment. Our colloidal system provides an ideal platform to understand the grain-boundary mediated melting. In addition, we propose to change to attraction range of the particles, the number of layers of crystalline thin films in order to understand how the pair interaction and dimensionality affect the melting behavior. In addition, only attractive particles can form solid-vapor interfaces under equilibrium, which enable us to study how the one-dimensional surface of a two-dimensional crystal affect the melting at the single-particle level for the first time. We will perform both experiments and simulations to investigate this simple system which has rich physics. We expect this study can provide importance insights in understanding the two-dimensional melting.

二维晶体与三维晶体的熔化行为非常不同，一直是凝聚态物理中的一个研究热点。与原子单层相比，胶体单层不受基底影响且能观测单粒子尺度上的运动，因此已经成为研究二维熔化的主要模型系统。以前，二维胶体晶体熔化实验一直采用排斥势粒子，而原子分子却都具有吸引势。最近，我们首次制备出具有可精细调节吸引势的胶体粒子，从而可以首次在单粒子尺度上研究吸引势粒子组成的二维晶体的熔化。..我们初步实验发现吸引势二维晶体遵循罕见的晶界熔化过程，熔成一种结构性的液体，而非通常的KTHNY熔化过程。我们将改变系统参数进一步研究粒子作用势和晶体薄膜厚度等方面是如何影响熔化行为的。另外，只有吸引势粒子才能形成稳定的固气界面，使得我们可以首次从实验上研究二维晶体的一维表面是如何影响熔化的。我们还将对实验做计算机模拟来更准确地揭示其微观机制。通过研究这个简洁而又具有丰富物理的系统，可以大大加深我们对二维熔化这一基本问题的理解。

二维晶体与三维晶体的熔化行为非常不同，一直是凝聚态物理中的一个研究热点。对于介于二维三维之间的薄膜晶体熔化所知更少。胶体单层不受基底影响且能观测单粒子尺度上的运动，已经成为研究二维熔化的重要模型系统。以前，二维胶体晶体熔化实验一直采用排斥势粒子，而原子分子却都具有吸引势。最近，我们制备出具有可精细调节吸引势的胶体粒子，从而可以首次在单粒子尺度上研究吸引势粒子组成的二维晶体的熔化。我们实验发现此晶体除了表面熔化外，同时内部形成晶界结构并熔成一种多晶状液体，而非通常的KTHNY熔化过程，首次从微观上证实了晶界熔化理论，发表于《自然》。还发现两三层的薄膜晶体只有表面熔化。我们首次做了计算机模拟研究单层（即二维）和两三层晶体的表面粗糙化转变和熔化，发现它们的行为截然不同。尤其是实验和模拟都发现熔化之前，表面可形成另一种晶体，是一种从未提出过的新现象，行为和机制都与表面熔化本质上相同。通过寻找有共格界面的同素异形晶体，我们提出调节温度或压力，可使六角金刚石表面可逆地形成或消失薄层石墨，如果实验能验证，将能调控材料的导电，抗腐蚀，光学等性质。另外，我们在实验和模拟上调节1.5层的晶体的等效温度，发现其熔化行为虽然类似于单层晶体行为，但低温下其结基本有序的晶体结构也能展现玻璃态动力学，为研究自旋玻璃提供了独特的实验平台，实验结果可用于解释完美纯净的阻错分子晶体中观察到的玻璃态行为，结果发表于《物理通讯X》。另外，我们将类似的方法应用到类似体系，包括利用同样胶体粒子组成的二维玻璃的熔化，发现超稳定玻璃的特征；与北航课题组合做的活性粒子二维晶体熔化，在表面不同深度发现多种新奇现象；长程排斥粒子组成的二维晶体的熔化和固固相变。总之，以往二维晶体熔化研究多集中于短程排斥粒子，我们的这些研究大大拓展了二维晶体熔化的认识。