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胶体结晶动力学 中文摘要 胶体结晶动力学 摘要 晶体材料被广泛地运用于我们的日常生活中。结晶是晶体材料提纯和生产的一 般过程。为了了解结晶的基本物理规律，一个多世纪以来，科学家们在实验和理论方 面对结晶进行了大量研究。然而，时至今日，我们对结晶的理解依然不完全；主要的 挑战源于原子太小，不能被直接观察和跟踪。与之相比，胶体粒子尺寸要大的多、运 动较慢，可以通过光学显微镜直接观察和实时跟踪。更重要的是，溶液中的胶体粒子 因为能够像原子一样形成固态、液态和气态，并可通过相变在不同态之间转换，因而 可以被比作“原子”。在过去几十年，胶体的相变研究为我们了解结晶过程提供了很 多的启示。然而，与原子不同的是，胶体粒子的尺寸是不均匀的，存在一定的尺寸分 散度。并且当尺寸分散度足够高时，结晶的动力学过程被抑制。为了解分散度的影响， 我们研究了二维双分散胶体体系在交变电场控制下的结晶。结果表明，如果体系被快 速过冷到高过饱和态时，体系无法形成晶体结构。然而，如果体系被逐步过冷，就会 发生尺寸分离，并形成由相同粒子组成的局部结晶区。这表明，在多分散系中，只要 尺寸分离的动力学过程被允许，结晶仍然有可能发生。 我们知道，晶核可以通过吸收原子或者奥斯特瓦尔德成熟进行生长。最近研究表 明，晶核通过取向融合发生的融合在纳米晶体生长过程中扮演重要的角色。在取向融 合中，两个靠近的晶核首先通过转动统一它们的晶向，再聚合成一个单晶体。我们在 二维胶体模型体系中对结晶过程中晶核的转动和聚合进行了研究。通过图像处理和 粒子追踪技术的运用，我们在单粒子层面上证明了晶核通过转动发生聚合，即取向融 合。同时我们还研究了晶核尺寸和转动速度的关系。 关键词：晶体材料；结晶；胶体；尺寸分离；取向融合 作 者：刘 通 指导教师：张天辉 I Abstract Dynamics of colloidal crystallization Dynamics of Colloidal Crystallization Abstract Crystalline materials are broadly used in our daily life. Crystallization is the process by which crystalline materials are purified and produced. To understand the mechanism of crystallization, scientists have studied it in theory and experiment more than one century. Nevertheless, our understanding of crystallization is still far from being complete. The main challenge arises from the fact that molecules and atoms are too small to observe and follow directly. In contrast, colloidal particles are large enough to be observed directly by light microscopes and move much more slowly to be followed. Most importantly, colloidal particles