实验研究形状可变胶体椭球体系的二维相变

Phase transition is one of the essential researches in the field of condensed matter physics. The phase transitions of non-spherical particles become the research hot topic in recent years, which is still a challenge for experiment study mainly due to the lack of appropriate experimental systems. This work uses model system of colloidal ellipsoid that shape can be tuned by temperature as the research object, and applies video microscopy to observe and record the structures of the system. Through particle tracking technology the position and orientation of the ellipsoid can be obtained, and then the accurate and quantitative study of the particle shape dependent phase transition of the system could be achieved. This work provides a direct experiments to probe structural transition and relaxation behavior resulting from the change of particle shape anisotropy, which not only is helpful for understanding the mechanism of the phase transitions of the non-spherical particles but also has important significance to the development of physical theory in colloidal soft matter.

相变是凝聚态物理领域中最为重要的研究课题之一。非球形粒子的相变行为成为了近年来的研究热点，实验上对其研究依然是一个挑战，主要受制于缺乏合适的实验体系。本项目利用新颖的粒子形状可由温度调控的胶体椭球模型体系作为研究对象，通过摄像显微镜观察和记录体系的微观结构，并且利用粒子跟踪技术确定椭球的位置和取向，从而实现对体系相变行为随粒子形状变化的精确定量研究。本项目从实验上直接研究由胶体粒子形状各向异性引起的结构转变和弛豫行为，一方面为人们认识和理解非球形粒子的相变规律提供帮助，另一方面对胶体软物质自身物理行为规律的认识和发展有着重要意义。

相变是凝聚态物理中最为重要的研究课题之一，同时涉及到材料、化学以及生物等多学科交叉研究领域。本项目通过设计新颖的形状可变胶体体系，从实验上着重研究了胶体粒子形状对体系相变的影响。结果表明：对于椭球胶体体系，当长径比减小到2.5以下，体系发生从取向玻璃到普通玻璃态的转变，揭示了这两种玻璃态的微观结构和动力学行为的特征；当长径比减小到1.3以下，体系出现从玻璃态向晶体的转变行为，阐明了转变的两个阶段演化过程。对于棒状胶体体系，与已有的椭球体系玻璃化转变不同，棒状粒子在小长径比（1.5）下尽管没有形成小的液晶区，体系也会发生两步玻璃化转变行为，即体系随着粒子面积分数增加先发生转动玻璃化转变再发生平动玻璃化转变，并且揭示两步转变的原因是源于粒子局部构型自由能出现能垒抑制了粒子转动。此外，还利用该项目研究了椭球粒子在复杂环境中的扩散动力学行为，探明粒子形状和环境对粒子扩散动力学行为的重要影响。通过这些研究，从实验上阐释了胶体体系微观结构和驰豫动力学行为与粒子形状之间的关联性，加深了粒子形状对相变等行为的重要性的认识和理解，同时对发展新的实验体系和设计新的胶体材料具有一定的指导意义。