帶電膠體粒子比原子和分子大的多,結晶時間長,而且其形狀、大小和相互作用等更容易精確控制,可采用的觀測手段也豐富得多,可以直接可視化,所以可以作為一種時間和空間都高度放大了的普適性模型來研究結晶現象。同時,其所形成的膠體晶體也是一種重要的微納米材料,具有廣泛的應用價值。但實際的膠體體系,卻很難達到理想化的單一組分狀態(tài)。而且,也有研究發(fā)現,單組分的膠體晶體在結構和性能調控等方面具有一定的缺陷,而二元膠體卻可以實現單組分膠體晶體所不具備的結構和性能。本論文中,將采用分子動力學模擬方法,來觀察二元帶電膠體的結晶過程。粒子間的相互作用勢用硬核-Yukawa模型來代表,各個相互作用參數可以通過改變一些條件自由地調整,從而對應很多種類的物質或體系,其結果具有很強的普適性。主要研究內容如下:（1）研究了體積分數對不同粒徑比的二元帶電膠體體系結晶的影響規(guī)律。與單組分膠體粒子結晶相比,第二組分粒子的加入增加了多分散性,明顯抑制結晶。而且,隨著粒徑比擴大,多分散度增加更為明顯,甚至會導致玻璃態(tài)結構出現。（2）當大、小粒子的體積分數分別為:0.01、0.08時,在粒徑比較小時,體系結晶穩(wěn)定后,大尺寸的膠體粒子... 

【文章來源】：北華航天工業(yè)學院河北省

【文章頁數】：73 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

自然界和實驗室中的膠體[8]

液體向亞穩(wěn)態(tài)晶體轉變，當大硬球體的體積分數較高，粒徑比為5:1時，會發(fā)生晶體之間的相轉變。S.Punnnathanam和P.A.Monson[27]等人采用MonteCarlo模擬的方法，比較了在過冷度較高的情況下，單組分和二元硬球混合物的結晶過程，并且作出了二元硬球膠體的結晶相圖。結果發(fā)現，在粒徑比a=0.97時，由于兩種組分之間粒徑差很小，因此，這兩種組分之間固體和液體是完全互溶的，在壓強達到11.7，液體開始轉變?yōu)槊嫘牧⒎骄w（FCC）結構。隨著粒徑差別的增大，達到粒徑比a=0.80時，兩種組分基本不互溶，得到二元硬球膠體系統的相圖如圖1.2所示。圖1.2二元硬球膠體系統相圖[27]圖1.2中，A和B分別表示純A組分和純B組分的FCC晶體結構，L表示液相。在此二元硬球膠體相圖中，摩爾體積xA=0.23處，有共晶點，壓力值在11.7和28之間液相和純A或純B晶體共存，而在較高的壓力下，純A和純B晶體共存。與單組分膠體結晶相比，混合物的結晶行為表現出更豐富的變化。P.Pusey[28]等人在實驗過程中發(fā)現，當粒徑比a=0.58時，兩種膠體粒子的體積分數在一定范圍內，會在二元硬球膠體系統中形成了AB3和AB13兩種非常穩(wěn)定的超晶格結構，之后，他們還發(fā)現了粒徑比a在0.65-0.85的范圍內，出現AB形的晶體結構，a大于0.85時，形成了一種致密的隨機合金結構。1.3.2二元帶電膠體相互作用勢的研究帶電膠體粒子形成的膠體晶體是由帶電膠體粒子分散于點解質溶液中，自組裝形成的三維有序結構，這一類膠體粒子在實驗上也比較容易制備（如聚苯乙烯膠體粒子、二氧化硅膠體粒子），同樣在自然界中也有較多存在。帶電粒子之間的相互作用勢可由DLVO

體積分數對二元帶電膠體粒子結晶過程影響的計算機模擬8變的理想模型系統。而計算機模擬對二元膠體系統的液-晶轉變和液-玻璃轉變的觀察和分析上提供了獨到的見解。SubrataSanyal[33]等人對兩種不同粒徑比，不同體積分數的二元帶電膠體混合物進行布朗動力學模擬，發(fā)現通過降低另一添加組分的濃度n，在2.0時，液體會結晶成BCC晶體結構，當3.0時，體系會形成玻璃態(tài)結構，對此時的粒子均方位移（MSD）曲線進行分析，發(fā)現過冷液體的MSD曲線呈現階梯狀，說明二元粒子之間的運動具有協同作用。1.3.3二元帶電膠體結晶過程的研究近年來，Russel和Frenkel等人在膠體的結晶過程和動力學計算方面進行了計算機模擬，這些研究是基于經典成核理論進行分析的。經典成核理論假設，成核是體系的熱漲落和自由能綜合總用的結果，要形成半徑為rn的球形晶核，所需要的自由能ΔG為：式（1.7）中，γ為表面自由能，Δu為液固兩相的化學勢之差，ΔG是固液兩相的自由能勢壘，由兩項組成，當rn很小時，第二項起主導作用，ΔG隨晶核尺寸rn的增大而增大，當rn增長到一定程度時，第一項開始起主導作用，ΔG隨晶核尺寸rn的增大而減小，晶核的自由能示意圖如圖1.3所示[34]。圖1.3經典成核理論自由能示意圖[34]經典成核理論認為，在膠體均勻形核的過程中，晶核需要超過一定的臨界尺寸，以越過自由能勢壘，然后才能繼續(xù)長大，形成晶體，通常情況下，臨界晶核的粒子數在102和104之間。由于觀測技術方面的原因，在實際實驗過程中，很難觀察到成核過程，一般觀察到的晶粒都超過臨界晶核尺寸，很難觀察到成核過程，而計算機模擬則不受此限制，許多研究者們就曾經借助計算機技術，對晶核的生長速率、尺寸和形態(tài)進行觀察分析，從而和實驗結果進行對比。23434nnrurG（1.7）

【參考文獻】：
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碩士論文
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本文編號：3092874