軟球膠體玻璃微觀結構和動力學的實驗研究

玻璃化轉變是凝聚態(tài)物理領域的重要研究課題。本項目研究突破了傳統(tǒng)硬球膠體形狀比較單一、相互作用過于簡化的局限，制備了具有軟球相互作用的、各向異性的形狀的膠體模型體系，然后采用攝像顯微技術和粒子跟蹤程序，研究了這軟球膠體模型體系發(fā)生玻璃化轉變過程中結構和動力學行為的演變規(guī)律。對于圓球與橢球共混玻璃體系，研究發(fā)現(xiàn)橢球的引入，能夠有效的抑制圓球結晶，實現(xiàn)了對玻璃態(tài)結構的有效調控；同時，通過考察粒子協(xié)同重排行為，發(fā)現(xiàn)協(xié)同重排區(qū)域形狀、大小和位置都與橢球的存在顯著關聯(lián)。對于棒狀軟球膠體，初步研究發(fā)現(xiàn)棒狀膠體體系表現(xiàn)出兩步玻璃化轉變，即平動玻璃和轉動玻璃，但兩步玻璃化轉變的物理機制仍需深入研究。上述研究的定量結果可以與現(xiàn)有理論模型進行定量比較，加深對玻璃化轉變物理機制的理解。此外，我們還將膠體玻璃研究方法推廣到物理、化學和材料學等其它研究領域，發(fā)揮這種定量研究手段和數(shù)理思維在相關研究中的應用。

玻璃化轉變是凝聚態(tài)物理領域的重要課題。本項目將以膠體為模型體系，采用現(xiàn)代顯微技術，通過軟物質物理實驗來研究玻璃化轉變的微觀結構－動力學性質關系。研究的主體思想是：（1）設計制備新型軟球膠體模型體系，突破傳統(tǒng)硬球模型過于簡化而不能準確描述真實原子體系的限制；（2）配合攝像顯微數(shù)據(jù)采集技術和粒子跟蹤數(shù)據(jù)處理程序，來量化玻璃中膠體粒子的微觀位置及其隨時間的變化，從而直觀和精確地研究玻璃化轉變過程中體系的微觀結構演變、動力學變化、協(xié)同重組區(qū)和粒子串（簇）的形成和動力學不均一性等重要物理量；（3）通過物理化學手段調控膠體粒子的軟硬度，得到軟硬度對玻璃物理性質的影響，并探索國際前沿模擬工作中發(fā)現(xiàn)的軟球團蔟玻璃和軟球玻璃反復融化等獨特的玻璃態(tài)物理現(xiàn)象。本研究結果不但可以與現(xiàn)有理論模型和計算機模擬結果進行定量比較，加深對玻璃化轉變本質的理解，而且有望為調控膠體粒子的軟硬度來設計玻璃材料提供指導。

本書首先介紹了軟黏土的微觀結構試驗測試方法，提出軟黏土的接觸面概念和測試方法。其次，介紹了基于微觀結構的軟土孔隙率定量方法和軟土平均接觸面積率定量方法，建立平均接觸面積率與宏觀孔隙率之間的關系。然后，介紹了基于平均接觸面積率的軟土滲流分析、飽和軟土固結理論、土壓力理論和土坡穩(wěn)定理論。最后，介紹了基于平均接觸面積率的抗剪強度理論。

本書內容切中國際研究熱點，學術思想新穎，邏輯性強，結構體系好，對土力學理論注入了新鮮活力。

1.1 研究內容

水文實驗研究一般可劃分為4種類型：（1）水文循環(huán)要素（降水、蒸發(fā)、徑流、土壤水、地下水、水質、泥沙、冰清等）實驗研究；（2）自然區(qū)域（以山區(qū)、平原區(qū)、河網區(qū)劃分或以濕潤區(qū)、干旱區(qū)劃分，或喀斯特區(qū)、牧區(qū)等）水文實驗研究；（3）人類活動的水文效應（森林、城市、農業(yè)、水利工程等）實驗研究；（4）水文測試技術（實驗途徑、測試儀器和方法、新技術應用等）實驗研究。

水文實驗研究1.2 研究途徑

可概括為基于水量平衡原理和對比實驗兩種途徑。前者要求對一個流域系統(tǒng)，除觀測降雨和徑流外，主要研究徑流形成的中間環(huán)節(jié)，如蒸發(fā)、土壤水、地下水等，以深入探索徑流形成的物理過程。早期的坡面水平衡試驗場和近期發(fā)展起來的實驗流域就是這種途徑的典型代表。利用條件更概化和單一的場地或土柱體（如蒸滲儀）進行蒸發(fā)和土壤水動態(tài)物理模擬實驗，也屬于此類途徑。對比實驗研究的方法，廣泛應用于探索自然的或人為因素在徑流過程中的作用。這種方法要求有意思地尋求流域下墊面特性，突出所要對比實驗的因素，對同一流域進行前后對比，或一組流域進行平行對比。對于山區(qū)流域，由于其特性差異很大，一般缺乏可對比的條件。同時，對于有些人類活動措施，如城市化、水利水保工程措施等，也很少具有平行對比的條件。因而較多地采取前后對比實驗的途徑。

水文實驗研究1.3 研究程序

基本上可分為3個階段：根據(jù)任務要求進行實驗設計：完善測試技術手段，保證資料的精度和完整性；及時分析研究實驗結果。與一般水文站閘觀測要求不同，水文實驗研究不是為了積累資料，而是依據(jù)所提任務具有明確求解目的的研究工作。因此首先需要進行實驗設計，即針對課題任務在制定初步求解方式的前提下，對實驗場所的選定、實驗的方式和途徑、觀測試驗項目的數(shù)量及其組合等實驗方案，作出盡可能周密和科學的安排。在實驗進程中，要階段性地檢驗和修正方案設計，使研究不斷深化，以達到求解和近似求解的目的。正確的測試技術和方法是保證水文實驗研究取得成果的核心，比常規(guī)水文測驗要求更加嚴格。這不僅指某個要素的實時觀測試驗要求有一定的精度，更重要的是，對課題內容有關要素觀測試驗的精度（包括時程和數(shù)值）和實驗數(shù)據(jù)的記錄處理要求相應配套，具有對比性。有些實驗，尤其是室內的模擬裝置，可應用計算機技術控制實驗過程，在觀測試驗作業(yè)、數(shù)據(jù)采集、信息處理等方面構成一個自動化或半自動化的系統(tǒng)。實驗結果的分析，有數(shù)學物理方程求解，建立確定性水文數(shù)學模型作參數(shù)識別及統(tǒng)計分析等兩三種方法進行分析研究。