利用光镊研究胶体凝胶的老化

论文摘要

胶体体系与生活密切相关,对胶体体系性质的研究具有重要的科学意义和价值。对胶体体系性质的研究虽然已有很长的历史,但这些研究大多是利用胶体的宏观性质来进行的,然而关于胶体宏观性质的微观本质——胶体粒子间的微观相互作用及动力学过程,由于缺乏有效的微观研究手段而难以对这种微观本质进行实验研究。该领域的进一步发展几乎决定性的依赖于对单个微粒间相互作用过程的研究,因而找到合适的手段和方法就变得非常必要。光镊出现以后,很快就成为在粒子层次对胶体科学进行实验研究的重要工具。光镊可以捕获和操控几十纳米到几十微米大小的粒子,它还可以作为力的探针,测量皮牛亚皮牛量级的力。对于很多胶体体系来说,其中的胶体粒子的大小恰好在这个范围,而粒子之间的微小作用力也可以使用光镊测量,因而光镊成为了研究分散体系性质的一个方便的工具,用来研究胶体粒子的性质或从粒子的层次研究各种体系宏观性质的微观机理。在本文的工作中,将光镊技术应用于胶体体系中,对胶体粒子间的相互作用力进行了测量,并对跟踪粒子间相互作用力随时间的变化,研究了胶体凝胶的老化过程,对老化机制进行了理论分析和解释。而且研究了如何提高光镊横向捕获效率,为增大光镊测力范围,提供了参考方法。在工作中还搭建了钛宝石激光光镊系统,该系统集自动控制、CCD成像、图像分析等技术与一体,能够操控排布胶体粒子,测量胶体粒子间的相互作用力,为胶体研究提供了一个实验平台。胶体体系有着较高的表面能,是非平衡体系,会往表面能较小的状态演化,称此过程为老化。在这个老化过程中,体系很多性质将会变化,并会对其应用产生影响。于是有必要对胶体凝胶老化过程机理进行了解。通过光镊把胶体粒子排布成简单的线性单链的聚集体结构,并对其力学性质进行测量,反映出胶体粒子间的相互作用状态。对力学性质随时间的变化进行测量,可得到胶体粒子间相互作用状态的变化,从而可研究胶体凝胶老化的微观机理。而且通过数据分析,对老化机理进行了理论解释。以往改进光镊捕获效率的研究都是针对轴向捕获效率,然而进行微小力测量的实验中利用的是横向捕获效率,在这些力的测量应用中,横向捕获效率起主要作用,而这时的轴向捕获力只要能够束缚住小球不让其逃逸即可。本文利用未充满物镜数值孔径的具有适当光斑大小的激光高斯光束入射到显微物镜后形成光镊,使轴向仍可形成稳定捕获,却可以明显提高横向捕获效率,增大光镊测力的范围。这对光镊技术的应用具有一定的参考价值。本论文的创新点在于利用光镊从微观粒子层次上研究了胶体体系的老化过程,结合烧结模型对老化过程的微观机理进行了解释:另外提高了光镊的横向捕获效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光镊技术
• 1.2 胶体体系领域的研究现状
• 1.3 本文研究工作的意义
• 1.4 本文主要内容简介
• 第二章 光镊的原理及其在胶体体系中的应用
• 2.1 光镊的历史
• 2.2 光镊的原理
• 2.2.1 光的动量
• 2.2.2 激光的力学效应
• 2.2.3 单光束梯度力光镊原理
• 2.3 光镊在胶体体系研究中的应用
• 2.3.1 粒子扩散的研究
• 2.3.2 流体动力学相互作用
• 2.3.3 静电相互作用
• 2.3.4 空缺相互作用和空间相互作用
• 2.3.5 胶体稳定性的研究
• 2.3.6 胶体粒子结合性质的研究
• 第三章 钛宝石激光光镊系统
• 3.1 系统概况和性能指标
• 3.1.1 系统概况
• 3.1.2 性能指标
• 3.2 系统设计
• 3.2.1 光镊光源-激光器
• 3.2.2 显微镜
• 3.2.3 操控系统
• 3.2.4 数据采集系统CCD
• 3.3 系统使用说明
• 3.3.1 钛宝石激光器
• 3.3.2 显微镜操作步骤和注意事项
• 3.3.3 图像采集系统-CCD的使用
• 3.3.4 电动平台
• 3.4 数据分析
• 3.4.1 CCD图像相关运算法测量微粒的位移
• 3.4.2 刚度标定和力的测量
• 3.5 本章小结
• 第四章 利用光镊研究胶体体系的老化
• 4.1 胶体凝胶老化研究介绍
• 4.2 光镊测量胶体粒子间微观相互作用的研究
• 4.3 利用光镊研究胶体老化
• 4.3.1 实验研究
• 4.3.2 理论解释
• 4.4 本章小结
• 第五章 光镊横向捕获效率提高的研究
• 5.1 实验研究
• 5.1.1 实验方法
• 5.1.2 实验测量结果
• 5.2 理论模拟计算
• 5.2.1 几何光学模型计算原理
• 5.2.2 偏振情况的处理
• 5.2.3 轴向力的计算
• 5.2.4 横向力的计算
• 5.3 计算结果和讨论
• 5.4 本章小结
• 博士期间发表文章目录
• 致谢