复杂流体中两关联运动的粒子的响应函数

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不需要宏观样本体积的微流变学技术,是研究软物质材料机械响应特性和微观结构性质的有效方法。粘弹性性质和对剪切应力的响应等流变学性质作为软物质重要的特性近几年被广泛地研究。测量和理论分析探测粒子的受迫振动或者布朗运动的位移,是分析材料的响应特性常用的方法。分析单个探测粒子位移的方法所反映的只是探测粒子表面以外一个半径以内的材料的性质,如果材料不均匀的尺度大于探测粒子的半径,测量的粘弹性性质将难以反映材料的整体性质。而之后发展起来的探测两个粒子关联运动的方法,被证明能够反映它们之间的材料的平均粘弹性性质,是得到材料整体性质的有效方法。 本文主要讨论了响应函数和外驱动力的相位对外力做功的影响,理论推导了Kelvin型和Maxwell型介质中两关联运动的胶体粒子的响应函数,发现了介质不同的粘弹性性质,显著地改变了响应函数,特别是交叉关联响应函数。 在Kelvin型介质中,随着介质弹性的增强,响应函数交叉项的实部在低频部分,从纯粘性时的趋于零,变为趋于一个正的有限值,由于有了弹性,一个粒子在低频部分不是很快的运动就能显著影响另一个粒子的运动;当介质的弹性增加到一定的程度,交叉项的虚部从纯粘性时的有正有负,变为在整个频率范围内总是正的。当弹性强到一定程度,响应函数交叉项的形状与对角项趋于相同,此时若只对一个粒子驱动,两个粒子的位移将很相似。另外,响应函数各项的实部和虚部在某个频率区间才有明显的变化,我们称这个区间为共振区间,在共振区间的两端,各项都变化缓慢。响应函数对角项的实部在低频部分趋于正的有限值,在共振区间明显变小,到高频部分趋于零;对角项和交叉项的虚部在共振区间两端趋于零,而在共振区间绝对值明显变大。这些说明粒子最大的能量耗散和粒子间最强的关联发生在共振区间。而且随着介质弹性的增强,共振区间右移。 Maxwell型介质中的响应函数同样存在共振区间,对角项与Kelvin型介质有相同的趋势。随着介质弹性的变弱,共振区间左移。但Maxwell流体中响应函数交叉项的实部在低频部分趋于负的有限值,随着其弹性的变弱,交叉的虚部在整个频率区间都是负的,交叉项的实部和虚部都趋于与对角项相反的趋势,出现与Kelvin型介质相反的性质。
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