【摘 要】
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胶体体系是软凝聚态物理领域不可或缺的实验模型体系。近年来,随着合成和制备技术的发展,研究人员构建出各种各样的胶体体系,这为研究凝聚态物理中的基础科学问题提供了实验模型。例如,通过构建圆球胶体模型体系,结晶和熔化等相变的物理机制得以澄清和解决;通过构建椭球胶体模型体系,形状各向异性粒子的奇异动力学行为和特征得以认识和理解。然而,现有的胶体模型体系主要由同一种形状的胶体粒子构成,不同形状胶体粒子构成的
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胶体体系是软凝聚态物理领域不可或缺的实验模型体系。近年来,随着合成和制备技术的发展,研究人员构建出各种各样的胶体体系,这为研究凝聚态物理中的基础科学问题提供了实验模型。例如,通过构建圆球胶体模型体系,结晶和熔化等相变的物理机制得以澄清和解决;通过构建椭球胶体模型体系,形状各向异性粒子的奇异动力学行为和特征得以认识和理解。然而,现有的胶体模型体系主要由同一种形状的胶体粒子构成,不同形状胶体粒子构成的混合胶体体系依然较少。与之形成鲜明对比的是很多的计算机模拟工作都对这种混合体系进行了研究。因此,本文通过椭球和圆球混合胶体体系,从实验上研究了体系的结构和动力学行为,探究了玻璃化转变和受限扩散这两个凝聚态物理中的重要科学问题。首先,我们通过椭球和单分散的圆球组成的混合胶体体系,研究了椭球这种形状各向异性的杂质对晶体结构和动力学的影响。结果表明,在低椭球杂质浓度下,椭球杂质粒子引起漂浮无序(floating disorder),体系依然保持取向长程序。随着杂质浓度的增加,长程序被破坏,体系转变为多晶,并且杂质会在晶界聚集。这些表明存在一个临界杂质浓度,当超过临界浓度度时,二维晶体就失去了取向长程序。此外,实验发现在多晶状态下,体系出现强烈的动力学不均匀性,是典型的玻璃动力学行为,并且体现了结构与动力学之间的相互关联性。这些发现从实验上揭示了椭球杂质在胶体晶体中的影响:杂质导致了有序-无序的转变,并且改变了体系的结构弛豫。另外,该研究为许多无序系统中的玻璃动力学的物理起源提供了新的线索。其次,我们通过椭球和双分散的圆球组成的混合胶体体系,研究了椭球这种形状各向异性粒子在受限体系中的扩散行为。通过计算椭球粒子的均方位移,发现随着圆球堆积分数的增加,椭球的平动和转动都会受到抑制,呈现次扩散行为。实验还发现长径比会对扩散行为产生很大影响:长椭球在受限条件下更容易平动;而短椭球更容易转动。此外,体系的平动和转动在不同圆球堆积分数下展现出不同的演化行为,表明这两种运动在受限环境中发生了解耦合。这些结果说明受限环境会导致各向异性胶体粒子出现反常扩散行为,并且粒子的各向异性程度会对这种受限扩散有重要影响。总之,本论文设计了新颖的混合胶体模型体系,从实验上研究了体系的结构和动力学行为。本论文的研究结果对理解玻璃化转变和受限扩散的物理机制都具有一定的科学意义。同时,本研究中所建立的混合胶体体系也为研究胶体物理提供了新的实验模型。
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