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颗粒流体和固体

Fig. 1a, Fig. 1b, Fig. 1c

颗粒体系通常指的是宏观固体颗粒组成的多体耗散体系。不同堆积密度的颗粒体系可以表现出类似于分子气体、液体和固体的行为,但又具有其独特的统计规律和动力学性质。不同于分子体系,宏观颗粒之间的相互作用具有显著的耗散特性,颗粒体系需要持续的能量输入以保持其稳定的运动状态,因此其本质上是一个远离平衡态的体系。


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我们的研究工作主要关注颗粒流体(包括气液)和固体的统计性质、动力学行为及相变规律,具体包含以下几方面:


颗粒体系的流动特性

由于颗粒之间是短程排斥相互作用,颗粒体系在外力驱动下容易产生流动行为,如重力驱动的颗粒槽流、外物撞击引起的颗粒喷流、振动驱动的颗粒对流等等。

颗粒气体及类气液相变

颗粒气体具有独特的统计性质,比如其速度分布不是高斯分布,而是介于指数分布和高斯分布之间,其偏离程度往往取于驱动方式,与其耗散性质无直接关联。颗粒气体耗散性质可以等效为吸引相互作用,在一定条件下会发生类似于分子体系的气液相变,在此相变过程中可观察到类似于液滴的颗粒团簇的产生。

复杂颗粒体系的非线性动力学行为

颗粒体系的团簇效应,在一些复杂环境中会表现出丰富的非线性动力学行为,甚至会产生类似于化学钟的振荡现象。这种被称为颗粒时钟的振荡现象,其产生、转化以及消失过程涉及Hopf分叉、同宿轨道分叉以及无限周期分叉等动力学行为。

颗粒固体及其流化机理

紧密堆积的颗粒体系具有复杂的内部力链网络结构,通过考察此结构在剪切、振动等外部扰动下的响应行为,可能帮助理解固态结构发生崩塌流化的内在机制。



胶体玻璃的结构、动力学和形变

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玻璃是由液体迅速冷却形成的固体。从表面上看,玻璃是一种再普通不过的材料,人类在石器时代就已经使用玻璃材料制造工具。教科书一般把玻璃描述为结构无序(disordered)的固体或非晶(amorphous)固体。但实际上,相比于晶体材料而言,人们对玻璃的性质知之甚浅,特别对玻璃中的微观细节更是基本靠猜。究其原因主要是缺乏能有效表征玻璃的结构的技术手段。现有的基于衍射和散射的测量方法得到的是大量平均的结构信息,无法获得具体的微观结构。以微米大小的胶体粒子组成的胶体玻璃就成为研究玻璃中基本科学问题的重要模型体系。利用现代光学显微镜和图像分析技术,我们能够在粒子尺度上观察和测量胶体玻璃的结构,动力学和形变的性质。我们关注的主要问题有:

玻璃的结构是否真的“无序”

Fig. 1a, Fig. 1b, Fig. 1c

玻璃结构“无序”的结论主要是基于X射线衍射的测量,玻璃材料中没有明显的表征空间周期性的衍射峰。 最近,人们开始认识到,周期性只是“序”的一种,完全可能存在没有周期性的有序结构。实际上,现在已经比较清楚玻璃中存在短程和中程序,也就是说一个原子的最近邻的排布是有一定的规律的。然而,这些局部有序的团簇是如何最终组成固体的玻璃仍然是一个没有清晰答案的问题。在光学显微镜下,高度可视化的胶体粒子组成的胶体玻璃就成为研究玻璃结构的理想系统。

玻璃的动力学与结构的关系

Fig. 1a, Fig. 1b, Fig. 1c

在从液体冷却到玻璃的过程中,原子运动的动力学行为发生了巨大的变化。最直接的表现是液体的粘度会在十几度的窗口内发生14个数量级的变化。这种动力学急剧变慢的现象就是长期困扰物理学家们的“玻璃化转变(Glass transition)”问题。这个问题的核心在于,动力学变慢的原因不清楚。一般直觉的猜测是和结构变化有关,然而基于衍射的结构测量发现玻璃的结构和液体并没有明显的区别。因此,必须在粒子层面观测液体在玻璃化转变过程中的结构和动力学的关联。

玻璃固体的形变规律

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日常经验告诉我们,玻璃是很脆的材料。在应用中,这是很大的一个问题。要调控玻璃材料的力学性质就需要了解玻璃的形变规律。玻璃中最基本的形变是几十个原子的局域重排,玻璃的宏观断裂是无数个这种接连发生的局域重排的结果。因此搞清楚局域元形变的基本性质是理解玻璃形变规律的基础。我们最近的研究表明,玻璃中的局域元形变和玻璃中的低频声子(软模)有很强的相关性,可以通过测量软模的空间分布来预测元形变的发生。我们计划进一步研究元形变区域的结构、力学特征以及演变规律。

活性胶体溶液与微观器件

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平衡态统计中最基本的物理量是温度,原子和分子在温度的驱动下作随机的运动。这种运动是被动的(passive),粒子从热涨落中获得能量,同时又把能量还给周围环境。如果这些粒子能够利用自身储能或者主动的从外界获取能量,就可以克服热涨落和环境阻力主动地运动 (active),这是所有生命体系的基本特征,例如细胞骨架中的马达分子或者低雷诺数环境中的细菌,以及更大尺度的鱼群和鸟群。活性的体系不再是平衡态,大部分平衡态的统计概念在活性体系中都失去了定义。因此,通过研究活性体系能够发现很多新的物理规律。我们研究关注活性胶体溶液与微观器件。一些特殊的胶体粒子具有自驱动的特征,主要的自驱动方式有两种,一种是温度梯度场驱动,一种是浓度梯度场驱动。相对生命体系,自驱动的胶体系统更容易控制和观察。利用活性胶体粒子的自驱动性质,可以设计和制备在微观环境中工作的微观器件,例如胶体马达,单粒子泵等等。

电流变液

什么是电流变液?

Fig. 1a, Fig. 1b, Fig. 1c

电流变液是将微米或纳米颗粒与绝缘液体混合而成的复合胶体,在外电场作用下,颗粒瞬间由无序排列变为链状、柱状排列,胶体也随之瞬间由液体变成固体。它是一种软硬程度连续可调节的智能材料。

电流变液的应用领域

可用于阻尼系统、减震器、无级变速、液体阀门、机电耦合控制、机器人等;实现机电一体化智能控制;在工业自动化设备、通用及专用机械、交通、建筑、农机、油田机械等几乎所有工业和技术领域,以及军事上均可广泛应用。

极性分子型电流变液 (PM-ER Fluids)理论是描述电流变液的主要理论。理论细节可以参考如下文件PDF

电流变液材料合成

Fig. 1a, Fig. 1b, Fig. 1c

研究组自1993年以来一直致力于电流变液材料及机理研究:2002年合成表面改性复合钛酸锶电流变液,屈服强度达30kPa(E=3kV/mm),达到当时国际最高水平(Appl. Phys. Lett.,80(2002)888);2004年后我们成功制备出以TiO2、Ca-Ti-O、La-Ti-O、Sr-Ti-O等颗粒为基,包含极性分子的一系列高剪切强度电流变液--极性分子型电流变液 (PM-ER Fluids),这类电流变液与传统电流变液相比,剪切强度高102倍,大大超过传统介电理论预测的极限,剪切强度随外电场呈线性增大,并非平方关系,用传统介电理论无法解释。我们研究组提出的极性分子电流变液模型并对这类新型的高性能新型电流变液发现各种现象。

极板特性对电流变液材料性能的影响

Fig. 1a, Fig. 1b, Fig. 1c

PM-ERF与电极板表面之间会产生“打滑”,使得此处的电流变液剪切应力比实际值低得多,这一缺点直接影响到这种电流变液材料的测量和实际工程应用。我们对电极板进行改进,提高电流变液在电极表面的附着力,尽量克服电流变液与电极板表面之间的“打滑”,使极板处电流变液剪切应力的测量值接近其剪切应力真实值。极板改性是新型电流变液应用的关键技术之一。

极性分子型电流变液频率响应
Fig. 1a, Fig. 1b, Fig. 1c

对于极性分子型电流变液,随电场频率增大,剪切强度最大值逐渐减低,而剪切强度最小值逐渐升高,到约f=100Hz以上时,两者趋于相同,这时几乎观察不到电场正弦震荡变化的影响。即在电场频率较高时其平均剪切强度逐渐降低,趋于一个稳定值。该类电流变液的剪切强度在电场较高频率时比直流时的值低得多,这与传统电流变液有很大区别。


极性分子型电流变液响应时间
Fig. 1a, Fig. 1b, Fig. 1c

极性分子型电流变液的电场动态响应时间为数毫秒至数十毫秒,与电流变液的剪切强度、电场强度、体积分数和剪切速率等因素密切相关。这种弛豫是由于颗粒在电场和剪切驱动等作用下的扩散和迁移行为所引起。当电场变化很快时,电流变液的剪切强度不能及时跟随电场的变化。在施加电场时,有电场和剪切两种驱动,而在去掉电场时只有剪切一种驱动,因此在方波电场作用时,表现出剪切强度前沿和后沿不同的响应行为。