胶体非晶固态在非平衡过程中动态自相似普适性研究

Amorphous solid colloidal systems such as colloidal gels and glasses are off-equilibrium systems. They are subjected to aging and shear rejuvenation. A full understanding of the structural and dynamic origin for aging and shear rejuvenation are still lacking. Recent discoveries of dynamic self-similarity and universality among hectorite suspensions may provides a entrance to the microscopic mechanism study of aging and shear-rejuvenation. In the present project, an ideal model system will be chosen for experiment. Using microscopic particle tracking and macroscopic rheometry, the microscopic origin of the dynamic self-similarity during aging and shear rejuvenation process will be pinpointed, and the university of such dynamic self-similarity will be analysis at microscopic level in search of the universal physical mechanism underneath. The accomplishment of present project would give complete and model-ready experimental conclusion for further theoretical research on the off-equilibrium physics of colloidal system.

胶体悬浮液形成的非晶固态体系关系到人类工业水平和生活质量的方方面面，但对其老化和剪切年轻化的非平衡态物理本质认识不足，研究少而分散。本项目以新近发现的非平衡动态自相似现象为切入点，选择胶体-聚合物混合悬浮液模型实验体系，实现不同胶体非晶固态；结合显微粒子示踪和宏观流变学手段，观测微观结构和动态不均匀性的非平衡演变；重点研究胶体非晶固态老化和剪切年轻化的动态自相似的微观来源，并探寻这种自相似的普适性机理，力求打通微观动态不均匀性和宏观平均动态自相似性的因果关系，为胶体非平衡动态演变的理论研究提供具有明确建模指向和验证指标的实验证据。

胶体非晶液固转变及剪切年轻化过程，在宏观流变学观测中常常具有动力学自相似性。理论上，这些过程又必然具有微观和介观的动力学不均匀性。然而后者的实验观测方式有限。本项目提出了液固转变的两类粘弹谱及其微观物理机制、建立了探针粒子微流变的动力学不均匀性分析方法、引入了正交旋转流变测量技术、选取了非晶液固转变的模型实验体系。在这些工作的基础上，我们发现：液固转变可完备地分为两类粘弹谱、并对应两种物理机制；微观动力学不均匀性具有测量空间尺度依赖性，但凝胶化的临界点理论上不依赖测量尺度；剪切年轻化不是物理老化的逆过程（与以往认识不同），而是把体系推向了新的初始状态，将原本遵循渝渗型液固转变行为体系改为拥堵型。上述成果，不仅从讨论范式和测量方法学上建立了动力学不均匀性的完整实验研究框架，还在胶体非晶液固转变问题中发现了新的现象，这些现象有可能是普适的，有望激发相关领域的广泛验证和应用。