幾種復(fù)雜流體的物性研究.pdf

1、“軟物質(zhì)(Soft matter)”這個(gè)詞，是由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、法國(guó)物理學(xué)家德熱納(P.G.de Gennes)于1991年明確提出來(lái)。之前“軟物質(zhì)”也叫“復(fù)雜流體”。軟物質(zhì)(Soft matter)或稱軟凝聚態(tài)物質(zhì)(Soft condensed matter)是由固、液、氣集團(tuán)或大分子等為基本組元組成，是處于理想流體和固體之間的復(fù)雜體系。其結(jié)構(gòu)單元(building blocks)間相互作用弱(約為kT)，熱漲落和熵主導(dǎo)其運(yùn)動(dòng)和變化。

2、這類物質(zhì)與普通固體、液體和氣體很不相同。流體熱漲落和固態(tài)的約束共存導(dǎo)致了軟物質(zhì)的新行為，體現(xiàn)了軟物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和相互作用的復(fù)雜性及其特殊性。
　　21世紀(jì)被認(rèn)為是生命科學(xué)的世紀(jì)，從物質(zhì)劃代角度來(lái)看，這也是軟物質(zhì)的世紀(jì)。如果沒(méi)有軟物質(zhì)，生命也不復(fù)存在。任何生物結(jié)構(gòu)(包括DNA、蛋白質(zhì)和生物膜)都是建筑在軟物質(zhì)的基礎(chǔ)上。軟物質(zhì)的許多奇特的行為、豐富物理內(nèi)涵和廣泛應(yīng)用背景，引起越來(lái)越多物理學(xué)家的興趣，成為具挑戰(zhàn)性和迫切性的重要研究方向，

3、成為凝聚態(tài)物理研究的重要前沿領(lǐng)域。我們主要研究鐵磁流體、逆鐵磁流體和電流變液等幾種復(fù)雜流體的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和應(yīng)用。之后我們介紹了特異材料和軟光學(xué)特異材料的概念和一些應(yīng)用。
　　第二章，在外加直流磁場(chǎng)作用下，我們用有限元數(shù)值模擬方法展示了鐵磁流體中光學(xué)負(fù)折射現(xiàn)象。該鐵磁流體是由四氧化三鐵顆粒外面包裹銀殼層分散在水中形成的。在外加直流磁場(chǎng)的情況下，顆粒會(huì)聚集成鏈狀，隨著磁場(chǎng)的增大鏈會(huì)聚集成柱狀結(jié)構(gòu)。磁場(chǎng)可控的全角和寬頻光學(xué)負(fù)折射來(lái)源于磁場(chǎng)

4、誘導(dǎo)的鏈/柱狀結(jié)構(gòu)，在當(dāng)前研究體系中傳播的橫磁波(TM)的等頻率曲線是雙曲線，根據(jù)邊界條件，我們可以確定能流是負(fù)折射。軟光學(xué)特異材料的提出，使得我們多了一個(gè)自由度(外場(chǎng))來(lái)調(diào)節(jié)材料的結(jié)構(gòu)，因此材料的光學(xué)性質(zhì)會(huì)隨著外場(chǎng)的變化而變化。此外，我們還介紹了多頻可見光波段隱身斗篷的理論基礎(chǔ)?；谧儞Q光學(xué)和特異材料，我們可以設(shè)計(jì)一些光學(xué)器件，幾乎任意地調(diào)控電磁波。但在實(shí)際應(yīng)用中，材料吸收會(huì)相對(duì)比較大，實(shí)驗(yàn)中可以用一些增益材料來(lái)盡量減少吸收。另一挑戰(zhàn)

5、是拓寬高頻下的工作頻率。
　　第三章，我們研究了逆鐵磁流體的基態(tài)和磁泳現(xiàn)象。利用偶極-多極相互作用模型，我們發(fā)現(xiàn)逆鐵磁流體的基態(tài)為體心正方晶格。了解體系的基態(tài)，有利于我們進(jìn)一步研究體系的基本性質(zhì)。在外加非均勻磁場(chǎng)作用下，考慮到結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和顆粒之間的相互作用，我們利用Ewald-Kornfeld公式和Maxwell-Garnett有效媒質(zhì)理論求出作用在非磁性顆粒上的磁泳力。研究結(jié)果表明，非磁性顆粒的磁泳力受到逆鐵磁流體具體的晶格結(jié)構(gòu)、

6、非磁性顆粒的體積分?jǐn)?shù)、幾何形狀以及外磁場(chǎng)的頻率等因素的調(diào)控。磁泳現(xiàn)象廣泛應(yīng)用于選礦和分離生物細(xì)胞中。我們的研究結(jié)果對(duì)磁泳現(xiàn)象的實(shí)際應(yīng)用有著一定的指導(dǎo)意義。
　　第四章，考慮到多極相互作用，我們利用三種方法研究了在電場(chǎng)作用下三顆粒系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為，其中兩個(gè)顆粒對(duì)稱地固定于第三個(gè)自由顆粒的兩側(cè)。研究發(fā)現(xiàn)，第三個(gè)自由顆粒橫向被拉開并釋放，它會(huì)沿垂直于兩固定顆粒的球心連線振蕩。當(dāng)橫向振幅很小時(shí)，顆粒的運(yùn)動(dòng)是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的周期受顆粒的