带电粒子胶体晶体介观结构变化及其对弹性模量的影响研究

Colloidal crystal is one kind of typical complex fluid, and lots of processes in colloidal crystal such as nucleation and growth, phase transformation and phase separation have close relationship with inter-particle interaction at the microscopic level. The understanding and control of these processes have great value of applications in the selection of pharmaceutical intermediate and preparation of new materials. In our previous work, firstly in the world, we have proved the crystallization of colloidal crystal obeys the famous empirical rule-Ostwald's step rule and the existence of metastable-stable transition with the innovative fast reflection spectrum method. Additionally, with the increase of particles' effective charge, we have also found the homogeneous-inhomogeneous transition in the structure of colloidal crystal. Following the strategy of physical mechanics, from the origin of tuning the inter-particle interaction on the micro-level, this proposal is aiming at investigating the influences of interaction parameters, such as effective charge, number density and salt concentration, to the process of homogeneous-inhomogeneous transition and metastable-stable transformation. Meanwhile, the changing tendency of elastic modulus in the two structural transition processes will be studied by torsional resonance spectroscopy method. These researches have great meaning in understanding the formation and evolvement of crystal structure and the correlation between mesostructures and elastic modulus.

胶体晶体是一种典型的复杂流体，胶体晶体的许多变化过程如成核生长过程、相变相分离过程等都与微观层次上粒子间的作用力密切相关，认识和控制这些过程在药品中间体筛选、制备新材料方面有重要应用价值。我们前期工作已利用独创的、能快速检测胶体晶体结构的反射光谱法，在国际上首次证实胶体晶体结晶过程遵循著名的晶体生长经验规律-Ostwald's step rule，存在亚稳态-稳态转变。此外，我们还发现有效电荷的增加会使晶体结构发生均匀-非均匀转变。本申请依据物理力学的研究思路，从微观层次上粒子间作用力的调节出发，进一步研究有效电荷、粒子数密度、盐浓度等作用力影响参数对胶体晶体介观结构的均匀-非均匀转变过程和亚稳态-稳态转变过程的影响，同时采用扭转共振光谱技术测量晶体弹性模量在这两种结构转变过程中的变化规律。这些方面的研究对于我们认识胶体晶体结构的形成和演变过程、介观结构和弹性模量之间的相关性有重要意义。

胶体晶体是研究原子分子体系的理想模型体系，二者在晶体结构和相变过程方面表现出许多相似之处。Ostwald分步结晶律是物质结晶中的一个经验规律，已经在原子、高分子、蛋白质等许多体系中得以证实，我们也在低浓度胶体粒子的结晶过程中发现存在着亚稳态-稳态的转变。但是，高浓度粒子体系的结晶过程尚不清楚，这对认识Ostwald分步律的普适性具有重要意义。此外，胶体晶体作为一种典型的软物质，其力学性质也备受关注，目前的研究主要集中在盐浓度、粒子数密度等实验参数对剪切模量的影响，而对晶体微结构和剪切模量之间的关系，以及亚稳态-稳态转变过程中剪切模量的变化规律认识较少。针对以上问题，我们采取反射光谱、扭转共振谱和光散射等实验手段，以及计算机模拟，主要开展了以下四个方面的研究：高浓度胶体粒子结晶过程中的Ostwald分步结晶问题，胶体晶体亚稳态-稳态结构转变对剪切模量的影响，胶体晶体微结构演化的计算机模拟及晶体微结构对剪切模量的影响，大尺寸胶体粒子聚集速率的测量。研究结果表明，高粒子浓度体系的结晶过程仍然遵循Ostwald分步结晶律，但随着粒子浓度的增加，亚稳态逐渐变的不可见。我们提出了新的模型和公式来解释不通粒子浓度下的结晶过程，和实验结果吻合较好。胶体晶体在发生亚稳态-稳态的结构转变时，体系的剪切模量会同步增加，当结构转变结束时，剪切模量亦趋于最大值，表明晶体结构自身稳定性对剪切模量具有重要影响。通过分子动力学模拟，我们再现了胶体晶体微结构的演化过程以及微结构均匀性和粒子电荷之间的关系，发现粒子表面电荷的增加会导致晶体微结构由均匀变为非均匀，这和之前的实验结果一致。模量测试结果显示，微结构均匀度对剪切模量的影响有限，只要晶体中粒子间的最近邻间距相当，其剪切模量基本相同。最后，我们发展了单独用静态或动态光散射测量大粒子体系聚集速率常数的方法，大大简化了测量过程，同时指出静态光散射测量中有盲区而动态光散射测量中不存在盲区。