高分子椭球胶体相行为的实验研究

Colloidal suspension is of great fundamental and practical interests. Colloidal suspension of hard sphere, as a model system, has played a crucial role for the study of physics in condensed matter. In contrast, anisotropic colloids display much richer phase behavior, for instances, to form all kinds of liquid crystal phases or plastic crystal phases. The shape of colloids and the interactions among colloids strongly influence their phase behavior, for example, the results from computer simulation indicate that attraction can stabilize smectic phase of ellipsoidal colloidal particles, whereas such a phase cannot be found with hard ellipsoids. In this project we study a colloidal suspension of polymeric ellipsoidal particles with/without a paramagnetic core which induces dipole-dipole interactions or isotropic attraction among particles in an external magnetic field. By developing a technique based on laser confocal scanning microscopy (LCSM) to identify the position and orientation of each particle in three dimensions, we are seeking to quantitatively and systematically study the structure and dynamics in phase transitions of ellipsoidal colloidal suspension in real space at a single particle level, and furthermore understand the role of attraction and repulsion by exploring a wide range of parameter space of electrostatic and dipole-dipole interactions and isotropic attraction.

高分子胶体悬浮液具有非常重要的基础理论和应用背景。高分子球形胶体体系用作“硬球”模型，在研究凝聚态物理基本问题中发挥了重要作用。相比于球形胶体，各项异性胶体具有更丰富的相变行为，如能形成各种液晶相或塑晶相。胶体的几何形状和相互作用强烈影响其相行为，比如计算机模拟结果显示吸引相互作用的存在能稳定椭球胶体的近晶相，然而如此的近晶相并没有在“硬核势”椭球（指只具有排除体积相互作用）的计算机模拟相图中出现。本项目拟以具有磁偶极相互作用或各向同性吸引相互作用的高分子椭球胶体为模型体系，开发相应的激光共聚焦扫描显微镜胶体定量分析技术获取粒子在三维的位置与取向信息，在实空间单粒子水平上系统性的实验研究椭球胶体体系的相态结构（包括液晶相和塑晶相）及相变动力学，通过在宽参数空间探索体系的静电相互作用、偶极相互作用和各向同性吸引相互作用，理解吸引力和排斥力在椭球胶体相行为中的角色。

高分子胶体悬浮液具有非常重要的基础理论和应用背景。高分子球形胶体体系用作“硬球”模型，在研究凝聚态物理基本问题中发挥了重要作用。相比于球形胶体，各向异性胶体具有更丰富的相变行为，如能形成各种液晶相或塑晶相。胶体的几何形状和相互作用强烈影响其相行为，比如计算机模拟结果显示吸引相互作用的存在能稳定椭球胶体的近晶相，然而如此的近晶相并没有在“硬核势”椭球（指只具有排除体积相互作用）的计算机模拟相图中出现。本项目主要针对高分子椭球胶体体系的相行为开展实验研究，发展了多种带有普适性的各向异性胶体的合成方法；搭建了与激光共聚焦显微镜联用的原位磁场装置，可以实现小于约50mT的均匀磁场区；实现了椭球胶体在共聚焦显微镜与可调磁场强度下的原位观测；发展了定量的单粒子分析程序，实现了椭球胶体共聚焦显微成像的连续自动识别分析；通过比较性的研究，结合理论计算，揭示了椭球胶体、双锥胶体和短棒胶体在多种相互作用下的相态转变规律；发现了椭球胶体近晶相稳定存在的相互作用形式与实验条件，为利用这些胶体构筑有序结构材料和光子晶体材料提供了重要的研究基础。