竞争相互作用下胶体体系微相分离的研究

In a diverse set of physical and chemical systems with competing interactions, intriguing patterns can be formed through microphase separations. Although microphase separations have been studied for a long time, the understanding of its mechanism is still far from being complete. The puorpose of this project is to study the mechanism of microphase separations in colloids with competing short-range attractions and long-range Coulomb repulsions. In this project, we will systematically study by experiments and simulations how the attraction strength、the repulsion stength and colloidal volume fraction will determine the mechanism of microphase separation, especailly their effect on cluster structures and the route of gelation.By investigating the dynamic processes of cluster growth and gelation, we are going to explore the mechanisms controlling cluster growth and gelation. Then, we will investigate the effect of alternationg electrical field on microphase separation and try to figure out an apllicable strategy to control the cluster growth and the route to forming ordered structures. Finally, the study will be extended to cluster growth and gelation of nonsphereical colloids with competing interactions. The output of this project will shed new light on protein aggregation、self-assembly for nanomaterials and food industries.

许多物理和化学体系，在竞争相互作用下，通过微相分离，会形成各种图案结构。由于观测手段的限制，目前对微相分离的物理机制和图案结构的微观生长规律所知有限。本项目以具有短程吸引和长程排斥两种竞争相互作用力的胶体体系为研究对象，研究微相分离的基本物理规律。本项目研究内容为：以实验研究为主，结合理论模拟，系统研究短程吸引力和长程排斥力强度、胶体体积分数等物理参数对微相分离中团簇生长和凝胶相变等过程的影响；通过研究团簇生长和凝胶相变的动力学过程，深入了解微相分离的微观物理规律；观察外加电场对团簇生长和凝胶相变的影响，探索利用外场控制竞争相互作用力体系相分离和团簇生长过程，形成有序结构的有效途径；胶体外形（非球形）对团簇结构和凝胶结构的影响。本项目的研究成果对控制蛋白凝聚、自组装纳米材料和食品工业等领域有重要科学指导意义。

短程吸引和长程排斥竞争的胶体体系展现出与众不同的丰富相行为：在高固体体积分数条件下会形成柱体相和片层相等调制结构。但实验上，此类热力学稳定结构却鲜有报道：实验上的相分离过程通常都会停滞在类凝胶的无序结构。这类凝胶结构通常被认为是高体积分数下，相分离过程被冻结的结果。在本项目中，从凝胶结构出发，通过外场剪切，我们在竞争作用力胶体体系形成了类柱体结构；这种结构理论上比凝胶结构更稳定，会缓慢向片层结构演化。但实验观测发现，去掉剪切场后，类柱体结构并没有向片层结构演化，而是逐渐恢复到类凝胶结构。这一结果和理论预期截然相反。一个可能的原因是理论上的热力学平衡结构是在粒子尺寸均匀的情况下得到的；而实验上的胶体颗粒通常存在一定的尺寸不均匀性，即分散度。通过分子动力学模拟我们发现，在竞争相互作用力体系，有序结构的稳定性对胶体颗粒的尺寸分散度非常敏感：当胶体颗粒尺寸的分散度接近或大于短程吸引力作用范围与胶体尺寸比时，多分散胶体无法形成有序结构。理论计算表明，多分散体系可通过尺寸分离形成多晶结构（一种比凝胶结构更稳定的结构）。但高体积分数条件下，由于粒子间的相互阻碍效应，尺寸分离过程难以实现。为验证尺寸分离的可行性，我们观察了二维双分散胶体体系的结晶过程。在快速“冷却”过程中，不同尺寸的胶体粒子没能发生分离，形成的依然是无序凝胶结构。为促进尺寸分离的发生， 我们通过缓慢逐步“冷却”的方法，每一步都给体系足够的弛豫时间，使之达到热力学平衡态。作为结果，大小两种不同的胶体颗粒成功实现了分离，形成了多晶结构。利用二维双分散体系中快速“冷却”得到的凝胶结构，我们测量了凝胶结构中的声子振动模式。凝胶态和玻璃态是两种热力学上的典型亚稳态结构。在胶体玻璃中，实验测量证实了低频段振动模式的态密度存在一个玻色峰。而我们的观测表明，凝胶态在低频段也存在一个玻色峰。这说明凝胶态和玻璃态在振动模式上有类似的性质。最后我们利用电场对带电胶体颗粒的极化效应，在三维胶体体系通过极化诱导了胶体颗粒间的电偶-电偶相互作用。通过这种具有方向性的相互作用，粒子间存在一个短程的电偶-电偶吸引和长程的电偶-电偶排斥作用。在这两种相互作用力下，胶体颗粒首先形成线性结构，然后通过折叠形成四方结构。通过电场诱导的电偶-电偶相互作用力，我们也成功实现了随机密堆积结构向体心四方结构的转变。