- 相關(guān)推薦
膠體模型的玻璃化轉(zhuǎn)變和動力學(xué)分析論文
1、膠體簡介
膠體是日常生活中常見的一種軟物質(zhì),指的是一種不連續(xù)介質(zhì)分散在另外一種連續(xù)介質(zhì)中的均勻混合物,分散質(zhì)可以是固體,液體,也可以是氣體,其長度尺寸一般介于10nm至10μm之間。根據(jù)分散質(zhì)的不同,膠體主要可以分為懸浮液、乳狀液、泡沫、氣溶膠等。膠體涉及我們生活的方方面面,比如墨水,護手霜,冰淇淋等都屬于膠體范疇。
正因如此,對膠體的研究就顯得很有意義。雖然在量子現(xiàn)象中研究范德瓦爾斯力這樣的參量很重要,但是在膠體體系的尺度上,量子力學(xué)效應(yīng)可以忽略,所以可以把膠體體系看作經(jīng)典體系來進(jìn)行研究。同時,由于膠體中分散質(zhì)的尺寸足夠小,體系的熱力學(xué)漲落就不可忽略。比如在膠體懸浮液中,固體粒子和溶劑分子之間的隨機相互碰撞形成的布朗運動,這是在實驗上很容易觀察到的一個現(xiàn)象。
在實驗室當(dāng)中,人們就可通過膠體體系來研究物質(zhì)的相變。在六七十年代,實驗中發(fā)現(xiàn),膠體懸浮液在結(jié)構(gòu)上和原子體系有諸多相似之處,這直接導(dǎo)致了在接下來的幾十年里,人們廣泛采用膠體作為模型去研究液體和晶體。比如在1982年,Lindsay和Chaikin通過將兩種不同尺寸的帶電膠體粒子混合在一起后,觀察到了體系呈現(xiàn)出無序的結(jié)構(gòu)和有限的剛度的玻璃態(tài)行為[1].在隨后的1986年和1987年,Pusey和Megen在對不帶電的高濃度膠體體系的研究中,也觀察到了硬球膠體的玻璃化轉(zhuǎn)變。
2、膠體模型的玻璃化轉(zhuǎn)變
對于膠體懸浮液來說,體系是由固體顆粒分散在液體中所形成的。體系的關(guān)鍵參數(shù)則是堆積分?jǐn)?shù)φ,其定義為固體顆粒所占整個空間的比例。當(dāng)堆積分?jǐn)?shù)很低時,體系中粒子能夠自由擴散,體系呈現(xiàn)液態(tài);隨著堆積分?jǐn)?shù)的增加,當(dāng)φ接近于玻璃化轉(zhuǎn)變點φg時,體系的粘度將會急劇變大;當(dāng)堆積分?jǐn)?shù)達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變點之后,體系表現(xiàn)出與傳統(tǒng)分子或聚合物玻璃體系相類似的行為。由于膠體粒子具有相對較大的尺寸,因此人們可以通過各種設(shè)備與技術(shù)來研究它,而這在分子原子尺度上,是比較難以實現(xiàn)的。
很多情況下,膠體微球就可以被看作一種簡單的硬球。早在八十年代中期,Pusey和vanMegen就開始在實驗上利用膠體體系來研究硬球體系的相圖[2].這一研究之所以如此重要,主要是因為以下原因:粒子間的相互作用比較單一,且易于描述;粒子間的簡單相互作用可以和諸多體系進(jìn)行對比,并且在計算機模擬上較容易實現(xiàn);可以通過顯微鏡,光散射,流變等一系列技術(shù)來研究。
Pusey和Megen曾采用PMMA微球來研究玻璃化轉(zhuǎn)變,為了防止粒子間因范德瓦爾斯力而發(fā)生聚集,他們在粒子表面覆蓋了一層約10nm的聚12羥基硬脂酸[3].正是由于這些硬質(zhì)的涂覆層,粒子可以被看作硬球,因為當(dāng)粒子非�？拷鼤r,粒子間發(fā)生相互作用的是涂覆層。這些粒子在有機溶劑中非常穩(wěn)定,同時在實驗上也比較容易進(jìn)行調(diào)整,比如染色后的粒子,就可以在攝熒光顯微鏡下觀察。
3、動力學(xué)不均勻性
對于玻璃而言,體系中某些區(qū)域的動力學(xué)可能比另一些區(qū)域更快些,而這些區(qū)域在空間上也會比>文秘站－您的專屬秘書！<較緊湊,人們稱這種現(xiàn)象為動力學(xué)不均勻性,也就是說系統(tǒng)中不同區(qū)域的弛豫速率是不同的。在這些系統(tǒng)中,弛豫的時間尺度和空間尺度相互耦合,也就是說較長的弛豫時間一般對應(yīng)這較大的粒子團簇。在體系快要發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變時,粒子可能需要“相互協(xié)同”才能重排,所以通常用協(xié)同運動來描述動力學(xué)不均勻性。
動力學(xué)不均勻的現(xiàn)象也與牢籠受限和牢籠重排之間存在一定的關(guān)系。在短時間內(nèi),粒子做布朗運動,但是這種運動卻因為粒子與周圍粒子發(fā)生碰撞而受到限制。一個粒子的近鄰粒子限制了該粒子,同時該粒子也是構(gòu)成了包圍其周圍粒子籠子的一部分。在較長的時間尺度上來看,這些“籠子”就可能發(fā)生塌陷,體系也就隨之發(fā)生了重排。
實驗上所觀察到的空間動力學(xué)不均勻性,與計算機模擬結(jié)果之間也存在高度的吻合。在玻璃化轉(zhuǎn)變過程中,人們很容易觀察到協(xié)同運動區(qū)域增大,但這和弛豫時間不斷增大之間的關(guān)系還并不得而知。直觀上講,如果越來越多的粒子需要同時以協(xié)同的方式運動,這種粒子間的關(guān)聯(lián)運動就可能是導(dǎo)致擴散時間的延長的直接原因。從這個角度講,或許動力學(xué)不均勻性和玻璃化轉(zhuǎn)變之間就連在了一起,也就可以說正是動力學(xué)不均勻性導(dǎo)致了玻璃化轉(zhuǎn)變。
Cooper等人利用模擬的手段,模擬出一個能夠發(fā)生重排的體系,為了得到結(jié)論,他們重復(fù)運行了具有相同初始構(gòu)型的體系。
他們將初始構(gòu)型經(jīng)過分子動力學(xué)平衡,并且隨機的賦予粒子初始速度。即使這樣,他們發(fā)現(xiàn)動力學(xué)不均勻性和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)性也很弱[4].正由于有模擬結(jié)果作為支撐,所以利用膠體體系研究動力學(xué)不均勻性的方向性顯得更強。模擬的結(jié)果能夠指導(dǎo)對實驗數(shù)據(jù)的分析,更能夠使得實驗上存在困難或難以實現(xiàn)的研究得以開展。
Kob等人也通過計算機模擬,研究了一種新穎的隨機pinning體系,他們隨機的選擇一部分粒子,把這些粒子固定住以對體系進(jìn)行限制。這樣就可以通過對該受限體系中運動粒子的研究,來探究玻璃體系中的動力學(xué)不均勻性了。他們發(fā)現(xiàn)隨著pinning粒子比例的增加,體系的協(xié)同性就會減弱,這正是由于pinning粒子破壞了體系的協(xié)同重排區(qū)域所導(dǎo)致的。原本一個粒子的運動狀態(tài)能夠影響到周圍的粒子,并傳遞下去,但是當(dāng)有了pinning粒子之后,這種能量的傳遞被阻礙了,體系的協(xié)同性遭也就隨之遭到了破壞[5].
4、結(jié)語
正如哈佛大學(xué)的Weitz教授所說的那樣,玻璃化轉(zhuǎn)變理論比研究這一理論的人還多。本文就介紹了以膠體作為模型體系研究玻璃化轉(zhuǎn)變的相關(guān)知識,說明了膠體玻璃體系動力學(xué)特點,重點說明了動力學(xué)不均勻性這一玻璃體系特有的現(xiàn)象及其研究進(jìn)展。
【膠體模型的玻璃化轉(zhuǎn)變和動力學(xué)分析論文】相關(guān)文章：
十談膠體 論文04-30
直升機艦面動力學(xué)分析模型04-28
帶電膠體系統(tǒng)固液相變的分子動力學(xué)研究04-26
空間自回歸模型的局部影響分析和運用04-29
動力學(xué)模型對簡化動力學(xué)定軌精度影響仿真05-02