不同形状颗粒堆积在外界激励下的结构演化机制和统计力学描述

作     者：丁匀皓 

作者单位：华东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨洋;夏成杰

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080102[工学-固体力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：软物质 自组装 颗粒堆积 系综理论 磁共振成像 

摘      要：软物质在自然界中非常常见,在物理、化学、材料、生物等各个领域都具有非常重要的基础研究和应用价值。软物质被认为是一种性质介于流体和固体的物质形式,而粒子间相互作用能相对于熵的作用较小,所以体系可以对外界环境的微小改变响应出明显的结构变化。一项与这一特性相关的奇特现象是软物质体系的自组装,人们研究由不同尺度的粒子所组成的软物质堆积体系如何自发地形成某种有序结构。依据组成单元的尺度,软物质可分为热运动体系(如:胶体、纳米粒子等)和宏观的非热体系(如:颗粒、油滴等)。显然,粒子间相互作用和粒子形状,可能深刻地影响着自组装的最终状态以及演化的路径。软物质的自组装行为本质上受到热力学和动力学因素的竞争,通常会涉及到由于形状和相互作用力带来的一些非平衡的自组装行为。特别地,对于颗粒体系,在力学稳定的要求下,体系阻塞结构的出现和玻璃化转变有着深刻的联系,使得体系往往对应于亚稳态;同时,颗粒物质自组装也和某些具有自组装现象的胶体体系有着相似的结构和热力学起源。所以,作为一个模型体系,颗粒物质的结构学研究对于理解软物质的自组装现象具有重要意义。对于球形体系的结构转变,已经有非常全面的研究;但由于现实世界中粒子往往形状各异,非球形的粒子形状又会导致更为丰富的相态和动力学过程,所以对于非球形颗粒体系结构有序化的相关研究同样具有基础和更为实用的价值。非球形粒子的复杂形状导致体系在不同尺度上出现各向异性,所以其结构转变机制也更为复杂。非球形颗粒堆积的自组装研究往往受限于实验条件,而多见于数值模拟研究。所以在实验中获得不同制备手段下的真实颗粒堆积的结构信息是相关理论研究展开的现实基础。在本硕士论文的研究中,我们利用磁共振成像技术,研究三种不同形状的颗粒物质在外界力学扰动下发生结构转变的现象,分析堆积结构,并尝试从结构学和统计力学角度理解这些体系的自组装的机制。本文主要介绍硕士阶段完成的三项工作,具体的研究工作和结论如下:(1)制备了三种典型的非球形颗粒堆积,利用磁共振成像和图像处理技术分析了颗粒堆积的内部结构;分析三种形状的颗粒堆积在致密化过程中的相行为,从实验上给出相关结构转变的证据。(2)全面细致分析颗粒堆积的局部结构,发现了与一些热运动体系自组装现象相似的热力学起源,揭示了形状熵的普适性;同时,我们也发现力学稳定条件在颗粒堆积结构演化中的重要作用。(3)参考液晶相关理论,我们在推广的统计力学系综理论的框架下,给出圆柱颗粒结构转变的微观机制。通过热力学积分和系综平均,我们获得了圆柱体系的状态方程,描述了一种连续的结构转变。