幾種軟物質(zhì)材料的物性研究.pdf

1、軟物質(zhì)是近幾年來新興的一個(gè)研究領(lǐng)域。它是指處于固體和理想液體之間的一種復(fù)雜態(tài)物質(zhì)，一般是由大分子和基團(tuán)組成，具有復(fù)雜性和柔軟性兩個(gè)主要特點(diǎn)。它的顯著特性為弱力引起強(qiáng)變化。軟物質(zhì)在自然界、生命體、日常生活和生產(chǎn)中廣泛存在，比如液晶、聚合物、膠體、膜、泡沫、顆粒物質(zhì)、蛋白質(zhì)等。軟物質(zhì)體系中的變化主要是由熵(熱漲落)引起的，也就是說熵占據(jù)了主導(dǎo)地位。軟物質(zhì)與我們的日常生活緊密聯(lián)系在一起，比如橡膠、洗滌液、牛奶、化妝品等等；生物體基本上由軟物質(zhì)

2、組成，如細(xì)胞、蛋白、DNA等。軟物質(zhì)的許多新奇行為、豐富的物理內(nèi)涵和廣泛的應(yīng)用背景引起越來越多研究人員的興趣。并且，軟物質(zhì)已經(jīng)成為物理學(xué)的一個(gè)新的前沿學(xué)科，是具有挑戰(zhàn)性和重要性的研究方向。
　　本文的主要工作是從理論上研究幾種軟物質(zhì)的特性。其中包括膠體晶體中的非線性光學(xué)響應(yīng)，基于鐵磁流體的磁控二次諧波和磁控光子晶體，非均勻膠體顆粒在振蕩偶極矩下的介電泳力以及梯度材料形狀效應(yīng)的熱學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。
　　本文結(jié)構(gòu)如下：
　　第

3、一章，背景介紹，主要介紹軟物質(zhì)的特點(diǎn)以及研究進(jìn)展。其中，我們重點(diǎn)介紹膠體晶體，鐵磁流體這兩類軟物質(zhì)體系，以及我們?cè)诶碚撚?jì)算中涉及到的梯度材料。
　　第二章，在此工作中，基于Ewald-Kornfeld公式，我們研究了膠體晶體中的三階非線性光學(xué)響應(yīng)(三次諧波和非簡(jiǎn)并四波混頻)。其中膠體晶體是指由納米尺度的梯度介電顆粒懸浮在基質(zhì)液中形成有序的晶格結(jié)構(gòu)。理論計(jì)算結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)局域電場(chǎng)或者晶格參數(shù)，體系的有效非線性光學(xué)響應(yīng)可以得到極大

4、增強(qiáng)，且共振峰發(fā)生了紅移即向頻率變小的方向移動(dòng)。同樣的方法，我們考慮了膠體晶體中的二次諧波響應(yīng)特性。結(jié)果表明體系的有效非線性光學(xué)響應(yīng)可以通過調(diào)節(jié)局域電場(chǎng)和晶格參數(shù)得到增強(qiáng)。最后我們討論了如何優(yōu)化Ewald-Kornfeld求和公式。
　　第三章，我們研究了基于鐵磁流體的光學(xué)響應(yīng)特性。首先介紹基于鐵磁流體實(shí)現(xiàn)的磁控二次諧波這一非線性光學(xué)響應(yīng)。這時(shí)整個(gè)體系是由非磁性的納米薄層包裹的單軸鐵磁納米顆粒懸浮在基質(zhì)液體中形成，其中納米薄層是具

5、有內(nèi)秉二階非線性極化率的光學(xué)材料。在外加磁場(chǎng)影響下，鐵磁納米顆粒會(huì)發(fā)生超順磁響應(yīng)，排列成鏈狀結(jié)構(gòu)。這時(shí)通過引入磁場(chǎng)局域化因子來研究整個(gè)體系對(duì)外加磁場(chǎng)的響應(yīng)特性。理論計(jì)算結(jié)果表明，在外磁場(chǎng)的影響下，整個(gè)體系的非線性光學(xué)響應(yīng)得到增強(qiáng)，且共振峰發(fā)生紅移。接下來，我們考慮了基于鐵磁流體的磁控光子晶體。由鐵磁流體和介電材料交替形成的一維光子晶體結(jié)構(gòu)，由于外加磁場(chǎng)引起鐵磁納米顆粒結(jié)構(gòu)的各向異性，從而使得光子晶體帶隙具有磁場(chǎng)調(diào)控性。
　　第四章

6、，利用第一性原理，我們計(jì)算了非均勻膠體顆粒在振蕩偶極矩下的介電泳力。介電泳指的是膠體顆粒在外加非均勻電場(chǎng)下發(fā)生移動(dòng)這一現(xiàn)象。其中膠體顆粒是連續(xù)變化的梯度材料即介電常數(shù)或者電導(dǎo)率是位置的函數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明在外加非均勻電場(chǎng)的影響下，顆粒間的多重偶極相互作用和顆粒內(nèi)部空間漲落對(duì)介電泳力有很大影響作用。
　　第五章，基于坐標(biāo)變換，我們首先研究了與形狀相關(guān)的各向異性梯度材料中的熱傳導(dǎo)。結(jié)果表明對(duì)于扁長(zhǎng)橢球形狀的梯度材料，能夠?qū)崿F(xiàn)等價(jià)‘負(fù)’熱

7、導(dǎo)率。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，等價(jià)‘負(fù)’熱導(dǎo)率是由于特定形狀梯度材料的振蕩熱導(dǎo)率引起，并且在區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)沿不同方向上的熱導(dǎo)率相加滿足求和定理。這種材料的等價(jià)‘負(fù)’熱導(dǎo)率可應(yīng)用于熱整流。同樣的，我們研究了電位移矢量在與形狀相關(guān)的各向異性梯度材料中的特性，模擬結(jié)果表明對(duì)于特定形狀的梯度材料中可以誘導(dǎo)發(fā)生等價(jià)電極化反轉(zhuǎn)。并且等價(jià)電極化反轉(zhuǎn)是由梯度材料在反轉(zhuǎn)區(qū)域內(nèi)的介電常數(shù)振蕩引起，對(duì)于其中一點(diǎn)沿各個(gè)方向上的介電常數(shù)相加滿足求和定理。對(duì)于球形斗篷