液体界面附近胶体体系的相互作用和动力学研究

The charged micro-size spheres disperse near the interface between oil(air) and water,which forms a typical quasi 2D colloidal system. The viscoelestic property and mechanical structure of such a system are determined by the interaction between the spheres and properties of both fluid phases. we plan to experimetally study the interaction and dynamics of the interfacial colloidal spheres through the microscopic and mutil-particles tracking technology. Following subjects are interested in this plan: (1)How the interaction between the spheres could be influenced by the ion strength in the acqueous phase。How the self diffusion behavior of hydrophilic spehres is influenced by the amount of surface charge of colloidal spheres. (2)How the hydrodynamic interaction behaves when two types of particles exist in the sytem and how this interaction will be influenced by the boudary conditions.

本计划拟通过显微成像和多粒子追踪技术研究在液体界面 （包括水气和水油界面）附近带电胶体颗粒体系的结构与颗粒间相互作用的关系，以及与之相关联的扩散动力学的性质。主要研究目标如下： （1）改变水相中的电解质离子浓度，研究界面胶体颗粒间的相互作用势的变化，以及浸润位置对颗粒间的相互作用势和胶体颗粒自扩散的影响。 （2）通过对胶体颗粒互扩散关联的测量来研究界面上多相粒子间胶体流体力学相互作用的性质，及该性质如何受边界条件影响。

液体界面附近的胶体单层是一个非常重要的模型系统常用以理解多种领域中的重要问题，如低维结晶，玻璃化或膜蛋白运动。本项目主要内容是用显微成像方法研究各种性质的颗粒单层（不同尺寸的PS 或silica 颗粒）在各类液体表面（水汽界面、 油水界面）附近时胶体颗粒间相互作用。主要结果如下：.1）在研究宏观剪切流下胶体互关联扩散中发现：随颗粒距离增大，剪切流引起贡献将远大于颗粒间流体力学作用的贡献。这一发现解释之前很多实验中观察到的但是无法理解现象：在长程范围内经常表现出互关联随距离不再减小。这是由于常存在微小剪切流：在近程范围内颗粒间流体力学作用足够强淹没了剪切流的贡献。但在长程测量中剪切流的贡献将占据主导。此结果发表于Langmuir, 34，10537-10542 （2018）， IF 3.78.2) 在研究水-气界面附近胶体单层中发现胶体间相互作用的普适关系。此发现关键在于找到体系的特征长度参数。各种颗粒单层与液体界面间距不同的测量曲线都可通过以上参数进行无量纲归一化，从而得到胶体颗粒单层中相互作用的普适关系。结果已投稿Physical Review E，正在审稿中。（arxiv：1808.10649 (2018)）.3）研究在油-水界面附近胶体单层时发现特征长度的各向异性。此差异在物理图像上对应在不同方向上胶体颗粒单层动力学的连续特性和离散特性。这是本领域里首次发现此类特征的实验证据。此结果已投稿Langmuir，正在审稿中。（arXiv：1812.10712（2018））.4）在以上研究中为了准确处理实验数据，发明了精确计算漂移流和剪切流等宏观漂移的方法。此方法利用互关联扩散测量，最后在传统的光学显微镜下可分辨低至10nm每帧的整体漂移，从而可高精度计算剪切流或涡旋流剪切速率。以此方法申请并获得2项国家发明专利：（I）ZL201510925292.4，（II）ZL201510925318.5。.5）尝试把以上研究中发展的计算机图像处理方法推广于生物细胞运动的研究。用以分析黏菌细胞运动实验数据：发现菌群的非均一性会带来了其整体速度分布的长尾特征。此结果发表于Chin. Phys. B 27, 028700（2018）， IF 1.32