论文部分内容阅读
胶体体系中胶体粒子比原子大得多，粒子间相互作用可以精确调节，这使得其成为一个从时间尺度和空间尺度上都高度放大了的研究凝聚态物质的模型体系。该体系中无序-有序相变过程(即胶体晶体的形成过程)的研究，有助于深化对晶体生长规律的认识，是近年来的热门课题。晶体生长中重要的经验规律-Ostwald分步结晶规律的普适性一直悬而未决，作为模型体系的胶体晶体是否遵守这一规律也受到人们的关注，但一直没有得到证实。本文围绕胶体晶体中的这一重要问题，对带电粒子胶体晶体的亚稳态-稳态相转变行为及Ostwald分步结晶规律进行了实验研究。该研究需要合适的胶体晶体，并需具备快速检测胶体晶体结构的研究手段。因此，作者首先用乳液聚合法合成了一系列高表面电荷密度的聚苯乙烯微球，对微球的性质进行了详细的表征，并用反射光谱研究了胶体晶体在高度去离子水溶液中的生长过程。通过光强时间关系曲线和Scherrer公式的分析，发现在胶体晶体的生长过程中存在着诱导期，并且随着体积分数的增大，诱导期时间显著缩短，胶体晶体的生长速率明显增加，这和前人的观察结果一致。
本文分析了静态光散射确定胶体晶体结构的基本原理，在此基础上提出只要把反射光谱从波长空间转换到波矢空间，就能确定胶体晶体的结构，从而实现了快速分析胶体晶体结构的目的。并通过与传统的光散射方法的对比，证实了其有效性和准确性。但反射光谱法更加快捷和方便，其测量速度比传统的光散射方法提高了约三个量级。该结构分析方法的提出，不仅解决了国际上难以快速分析胶体晶体结构的问题，也为与Ostwald分步结晶规律有关的亚稳态-稳态相转变行为研究提供了基础。利用这种快捷的结构分析方法，本文对胶体晶体结晶过程中晶体结构的变化进行了研究，发现首先会形成亚稳态的bcc结构，然后逐渐转变为稳态的fcc结构，从而首次证明，带电粒子胶体晶体的形成遵从Ostwald分步结晶规律。另外，我们还发现亚稳态的寿命与粒子的体积分数有很大关系，当体积分数从低变高时，亚稳态的寿命可以从几个小时变为到几分钟。这一发现对硬球体系中只观察到fcc结构也有重要的借鉴意义。在此基础上，本文进一步对胶体晶体的亚稳态-稳态结构转变过程进行了研究，计算分析了bcc和fcc结构晶体的结晶度、晶粒大小、晶粒数目、晶格常数和最近邻粒子间距在转变过程中随时间的变化趋势，并用Avrami模型对结构转变的动力学过程进行了定量分析。Avrami指数和结构转变速率表明bcc的衰减和fcc的生长具有相同的机制，变化过程相反。通过不同体积分数下结晶过程的比较还发现，体积分数对转变机制没有影响，但是会显著影响转变速率，转变速率和实际转变用时几乎成反比。综合考虑各种结构参数的变化趋势和Avrami模型分析结果，本文对结构转变的途径进行了阐述，bcc晶体通过分裂、边界熔化而逐渐消失，fcc晶体经过成核、生长、融合而长大。