高分子胶体粒子在二维油水界面上的挤阻转变

软物质的挤阻转变是一个结合了高分子软物质和凝聚态物理的最新研究方向。目前，理论计算和模拟与宏观实验（如流变）结果之间无法衔接。因此，需要一个可直接观测系统微观状态的实验研究，利用统计微观结构的方法去揭示转变的机制。另外，目前的实验均使用较大的粒子，因此热能量贡献甚微（即：近似无热运动或"绝对零度"）。针对这两点，本研究拟采用束缚在二维油水界面上可调控相互作用的高分子软胶体小粒子，结合具高时空分辨率的显微拍照和图像追踪实验手段，直接获取体系在有限温度下、挤阻转变前后的动态和静态微观结构，从而揭示挤阻转变前后系统宏观性质变化的微观机制。并探索热扰动对微观堆积和宏观性质的影响，填补该方向上实验研究的相对空白。此外，这种基于直接测量系统微观结构的方法和其所给出的统计结果可直接验证理论计算和模拟中有关软粒子在二维空间中随机和非随机堆积的重要结论，从而可进一步在机制上阐明随机和非随机挤阻转变之间的异同

摘要：分散在油水界面上的胶体粒子既可应用于乳液的稳定和分散，还可作为二维模型体系来研究凝聚态物理中的问题，例如二维挤阻转变。深入理解粒子在界面上的行为以及阐明界面粒子间的相互作用是实施相关应用或开展相关基础研究的前提。但至目前为止，对胶体粒子在界面上的行为的理解还存在许多不足，许多科学问题亟需阐明。在本研究计划中，我们结合了多种基于显微成像的先进技术，包括亮场成像和粒子追踪技术、高速转盘共聚焦成像、激光扫描共聚焦成像、显微微注射以及显微微电泳等技术，对分散在油水界面上胶体粒子的行为进行了系统的研究。我们的研究发现当胶体粒子在界面分散时，粒子在接触界面的瞬间因界面张力会导致粒子沿界面高速喷射；在此自发过程中，粒子与界面的摩擦将产生电性为负的剩余电荷并累积在浸没于油相中的粒子表面上。且这些剩余电荷不能长时间稳定存在，它们会随着时间的流逝在几小时内逐渐消失。失去剩余电荷保护的胶体粒子间的排斥作用将大幅减弱，在水相有一定浓度电解质存在的情况下，界面粒子将产生不可逆的聚集。基于摩擦起电这一物理现象，我们还建立了模型并对剩余电荷产生和消除的过程进行了量化。值得指出的是：我们的系统研究显示出胶体粒子因摩擦界面产生电荷，以及摩擦电荷的消除是相当普遍的现象，所以该机制的阐明对许多研究具有广泛的意义。同时利用我们的方法人们可在流体界面上实现对绝缘的生物大分子（如DNA,蛋白质或病毒颗粒等）的“充/放电”。