软球胶体玻璃微观结构和动力学的实验研究

Glass transition is one of the most important research topics in condensed matter physics. In this project, we will design soft matter physics experiment, and experimentally study the relationship of microstructures and dynamics of model colloidal glasses with modern microscopy technique. The research methodology is the following: (1) Syntheses of new model soft colloids to overcome the limitation in conventional hard sphere system, as hard sphere is overly simplified and cannot accurately describe the real physical situation in atomic systems; (2) Using video microscopy technique and particle tracking algorithm, we will quantify the positions of colloids and their evolutions with time, directly visualize the glassy systems and obtain important physical parameters such as microstructure, dynamics, cooperative rearrangements, clusters and dynamical heterogeneities. (3) The softness of the colloids will be fine-tuned by physical chemistry methods, enabling the study of softness effect on glassy dynamics, cluster glasses and re-entrant melting of soft glasses. The results obtained from the proposal research will compare quantitively with previous theoretical predictions and simulation results, and deepen our understanding of the physics of glass transition, but also hold potential to guide design of glassy materials.

玻璃化转变是凝聚态物理领域的重要课题。本项目将以胶体为模型体系，采用现代显微技术，通过软物质物理实验来研究玻璃化转变的微观结构－动力学性质关系。研究的主体思想是：（1）设计制备新型软球胶体模型体系，突破传统硬球模型过于简化而不能准确描述真实原子体系的限制；（2）配合摄像显微数据采集技术和粒子跟踪数据处理程序，来量化玻璃中胶体粒子的微观位置及其随时间的变化，从而直观和精确地研究玻璃化转变过程中体系的微观结构演变、动力学变化、协同重组区和粒子串（簇）的形成和动力学不均一性等重要物理量；（3）通过物理化学手段调控胶体粒子的软硬度，得到软硬度对玻璃物理性质的影响，并探索国际前沿模拟工作中发现的软球团蔟玻璃和软球玻璃反复融化等独特的玻璃态物理现象。本研究结果不但可以与现有理论模型和计算机模拟结果进行定量比较，加深对玻璃化转变本质的理解，而且有望为调控胶体粒子的软硬度来设计玻璃材料提供指导。

玻璃化转变是凝聚态物理领域的重要研究课题。本项目研究突破了传统硬球胶体形状比较单一、相互作用过于简化的局限，制备了具有软球相互作用的、各向异性的形状的胶体模型体系，然后采用摄像显微技术和粒子跟踪程序，研究了这软球胶体模型体系发生玻璃化转变过程中结构和动力学行为的演变规律。对于圆球与椭球共混玻璃体系，研究发现椭球的引入，能够有效的抑制圆球结晶，实现了对玻璃态结构的有效调控；同时，通过考察粒子协同重排行为，发现协同重排区域形状、大小和位置都与椭球的存在显著关联。对于棒状软球胶体，初步研究发现棒状胶体体系表现出两步玻璃化转变，即平动玻璃和转动玻璃，但两步玻璃化转变的物理机制仍需深入研究。上述研究的定量结果可以与现有理论模型进行定量比较，加深对玻璃化转变物理机制的理解。此外，我们还将胶体玻璃研究方法推广到物理、化学和材料学等其它研究领域，发挥这种定量研究手段和数理思维在相关研究中的应用。