軟球膠體玻璃微觀結(jié)構(gòu)和動力學(xué)的實驗研究結(jié)題摘要

玻璃化轉(zhuǎn)變是凝聚態(tài)物理領(lǐng)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(shù)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(zhuǎn)變過程中結(jié)構(gòu)和動力學(xué)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(jié)晶，實現(xiàn)了對玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)的有效調(diào)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(guān)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(zhuǎn)變，即平動玻璃和轉(zhuǎn)動玻璃，但兩步玻璃化轉(zhuǎn)變的物理機制仍需深入研究。上述研究的定量結(jié)果可以與現(xiàn)有理論模型進(jìn)行定量比較，加深對玻璃化轉(zhuǎn)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(xué)和材料學(xué)等其它研究領(lǐng)域，發(fā)揮這種定量研究手段和數(shù)理思維在相關(guān)研究中的應(yīng)用。

玻璃化轉(zhuǎn)變是凝聚態(tài)物理領(lǐng)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(shù)，通過軟物質(zhì)物理實驗來研究玻璃化轉(zhuǎn)變的微觀結(jié)構(gòu)－動力學(xué)性質(zhì)關(guān)系。研究的主體思想是：（1）設(shè)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(zhǔn)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(shù)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(zhuǎn)變過程中體系的微觀結(jié)構(gòu)演變、動力學(xué)變化、協(xié)同重組區(qū)和粒子串（簇）的形成和動力學(xué)不均一性等重要物理量；（3）通過物理化學(xué)手段調(diào)控膠體粒子的軟硬度，得到軟硬度對玻璃物理性質(zhì)的影響，并探索國際前沿模擬工作中發(fā)現(xiàn)的軟球團(tuán)蔟玻璃和軟球玻璃反復(fù)融化等獨特的玻璃態(tài)物理現(xiàn)象。本研究結(jié)果不但可以與現(xiàn)有理論模型和計算機模擬結(jié)果進(jìn)行定量比較，加深對玻璃化轉(zhuǎn)變本質(zhì)的理解，而且有望為調(diào)控膠體粒子的軟硬度來設(shè)計玻璃材料提供指導(dǎo)。

本書首先介紹了軟黏土的微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)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(nèi)容切中國際研究熱點，學(xué)術(shù)思想新穎，邏輯性強，結(jié)構(gòu)體系好，對土力學(xué)理論注入了新鮮活力。

1.1 研究內(nèi)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(zhì)、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(wǎng)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(yīng)（森林、城市、農(nóng)業(yè)、水利工程等）實驗研究；（4）水文測試技術(shù)（實驗途徑、測試儀器和方法、新技術(shù)應(yīng)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(jìn)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(yīng)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(jìn)行前后對比，或一組流域進(jìn)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(wù)要求進(jìn)行實驗設(shè)計：完善測試技術(shù)手段，保證資料的精度和完整性；及時分析研究實驗結(jié)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(wù)具有明確求解目的的研究工作。因此首先需要進(jìn)行實驗設(shè)計，即針對課題任務(wù)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(xué)的安排。在實驗進(jìn)程中，要階段性地檢驗和修正方案設(shè)計，使研究不斷深化，以達(dá)到求解和近似求解的目的。正確的測試技術(shù)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(yán)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(nèi)容有關(guān)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(yīng)配套，具有對比性。有些實驗，尤其是室內(nèi)的模擬裝置，可應(yīng)用計算機技術(shù)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(gòu)成一個自動化或半自動化的系統(tǒng)。實驗結(jié)果的分析，有數(shù)學(xué)物理方程求解，建立確定性水文數(shù)學(xué)模型作參數(shù)識別及統(tǒng)計分析等兩三種方法進(jìn)行分析研究。