高分子胶体晶体的结晶与熔化

Experiments on freezing and melting of simple liquid and solid are difficult because small molecules or atoms moved too rapidly to be tracked. By contrast, colloidal systems can be studied easier for their larger size and slower movement. In colloidal science the effect of decreasing volume fraction is analogous to increasing temperature in atomic and/or molecular systems. Colloids display intriguing transitions between gas, liquid, solid and liquid crystalline phases as a function of concentration just as atomic systems transform from gas to liquid to solid when the temperature is reduced.In this project,colloidal crystals with fiber symmetry will be used in the investigation. Furthermore, suitable polymeric colloidal crsytals will be used in the experiments, and the crystallization and melting process of bulk colloidal crystals with fiber symmetry will be investigated via in-situ synchrotron small angle X-ray diffraction (SAXD) technique.The nucleation, growth and melting of crystals will be investigated. The structure evolution of the crystals will be studied when the mutual interaction of intra-particles are changed. This project will reveal the transitions between crystal, crystal and liquid coexistence, and liquid phases.

原子分子体系的结晶与熔化过程是一门非常古老、经典的学问。而胶体体系随着体积分数的增加可以经历气相、液相、固相等，正如原子分子体系中随着温度的降低经历了气、液、固的变化。本项目拟选取结晶性能优良的高分子胶体晶体作为研究对象，利用同步辐射小角X射线散射等手段，主要研究胶体晶体的成核及生长的过程；探讨胶体晶体熔化的驱动力和揭示晶体熔化的规律。具有纤维状取向结构的高分子胶体晶体将应用到本项目中。另外将选取合适的胶体样品，考查胶体粒子间的相互作用力的改变对粒子的结晶、重结晶与晶体熔化过程的影响；选取不同材料的胶体粒子作为研究对象以发现胶体晶体结晶与熔化的普适规律。本项目研究的高分子胶体晶体的相转变过程，为模拟原子分子体系的相转变过程提供了思路。

胶体体系由于具有较大的尺寸和较慢的运动速率,可以实现很好的在线跟踪。在胶体体系中,胶体粒子体积含量的变化就类比与在小分子体系或者原子体系中温度的变化。胶体体系随着体积分数的增加可以经历气相、液相、 固相以及液晶相等,正如原子分子体系中随着温度的降低经历了气、液、固的变化。因此,可以利用胶体体系来做为研究原子分子体系相转变过程的模型。.本项目拟选取结晶性能良好的一种或几种高分子胶体晶体作为研究对象，研究其在不同条件下的结晶与晶体熔化的过程。.首先我们利用同步辐射SAXS对kapton管中胶体晶体的结晶过程进行了原位跟踪，成功的观测到了整个胶体晶体的结晶过程，同时我们获得的数据还很好的验证了结构因子与形状因子相互作用的理论。.其次我们还利用了原位的同步辐射 SAXS 跟踪了大块胶体晶体的熔化过程。 在胶体晶体达到其熔点之前呈现匀速的膨胀。实验数据表明大块晶体的熔化过程 中既有表面的熔化过程也有内部的熔化过程。内部的熔化包括在晶粒边界、缺陷、 空穴等处的熔化。最重要的是,我们在熔化的过程中发现了胶体晶体的熔融重结晶现象。从小块的晶粒上熔化下来的粒子会重结晶到周围更加大块的晶粒上去。.从第1部分工作我们得知，在结晶过程中，粒子的间距随时间呈线性的变化；从第2部分工作中我们又发现，在熔化的过程中，粒子的间距随时间仍然是呈线性的变化。在结晶过程中，能够观测到的最初的结晶浓度为φF = 0.53；在熔化过程中我们测 得的熔点为φM = 0.538。也就是说在我们这个体系中测得的冰点与熔点几乎相同，这点与硬球体系是不同的。