软球胶体玻璃微观结构和动力学的实验研究结题摘要

玻璃化转变是凝聚态物理领域的重要研究课题。本项目研究突破了传统硬球胶体形状比较单一、相互作用过于简化的局限，制备了具有软球相互作用的、各向异性的形状的胶体模型体系，然后采用摄像显微技术和粒子跟踪程序，研究了这软球胶体模型体系发生玻璃化转变过程中结构和动力学行为的演变规律。对于圆球与椭球共混玻璃体系，研究发现椭球的引入，能够有效的抑制圆球结晶，实现了对玻璃态结构的有效调控；同时，通过考察粒子协同重排行为，发现协同重排区域形状、大小和位置都与椭球的存在显著关联。对于棒状软球胶体，初步研究发现棒状胶体体系表现出两步玻璃化转变，即平动玻璃和转动玻璃，但两步玻璃化转变的物理机制仍需深入研究。上述研究的定量结果可以与现有理论模型进行定量比较，加深对玻璃化转变物理机制的理解。此外，我们还将胶体玻璃研究方法推广到物理、化学和材料学等其它研究领域，发挥这种定量研究手段和数理思维在相关研究中的应用。

玻璃化转变是凝聚态物理领域的重要课题。本项目将以胶体为模型体系，采用现代显微技术，通过软物质物理实验来研究玻璃化转变的微观结构－动力学性质关系。研究的主体思想是：（1）设计制备新型软球胶体模型体系，突破传统硬球模型过于简化而不能准确描述真实原子体系的限制；（2）配合摄像显微数据采集技术和粒子跟踪数据处理程序，来量化玻璃中胶体粒子的微观位置及其随时间的变化，从而直观和精确地研究玻璃化转变过程中体系的微观结构演变、动力学变化、协同重组区和粒子串（簇）的形成和动力学不均一性等重要物理量；（3）通过物理化学手段调控胶体粒子的软硬度，得到软硬度对玻璃物理性质的影响，并探索国际前沿模拟工作中发现的软球团蔟玻璃和软球玻璃反复融化等独特的玻璃态物理现象。本研究结果不但可以与现有理论模型和计算机模拟结果进行定量比较，加深对玻璃化转变本质的理解，而且有望为调控胶体粒子的软硬度来设计玻璃材料提供指导。

本书首先介绍了软黏土的微观结构试验测试方法，提出软黏土的接触面概念和测试方法。其次，介绍了基于微观结构的软土孔隙率定量方法和软土平均接触面积率定量方法，建立平均接触面积率与宏观孔隙率之间的关系。然后，介绍了基于平均接触面积率的软土渗流分析、饱和软土固结理论、土压力理论和土坡稳定理论。最后，介绍了基于平均接触面积率的抗剪强度理论。

本书内容切中国际研究热点，学术思想新颖，逻辑性强，结构体系好，对土力学理论注入了新鲜活力。

1.1 研究内容

水文实验研究一般可划分为4种类型：（1）水文循环要素（降水、蒸发、径流、土壤水、地下水、水质、泥沙、冰清等）实验研究；（2）自然区域（以山区、平原区、河网区划分或以湿润区、干旱区划分，或喀斯特区、牧区等）水文实验研究；（3）人类活动的水文效应（森林、城市、农业、水利工程等）实验研究；（4）水文测试技术（实验途径、测试仪器和方法、新技术应用等）实验研究。

水文实验研究1.2 研究途径

可概括为基于水量平衡原理和对比实验两种途径。前者要求对一个流域系统，除观测降雨和径流外，主要研究径流形成的中间环节，如蒸发、土壤水、地下水等，以深入探索径流形成的物理过程。早期的坡面水平衡试验场和近期发展起来的实验流域就是这种途径的典型代表。利用条件更概化和单一的场地或土柱体（如蒸渗仪）进行蒸发和土壤水动态物理模拟实验，也属于此类途径。对比实验研究的方法，广泛应用于探索自然的或人为因素在径流过程中的作用。这种方法要求有意思地寻求流域下垫面特性，突出所要对比实验的因素，对同一流域进行前后对比，或一组流域进行平行对比。对于山区流域，由于其特性差异很大，一般缺乏可对比的条件。同时，对于有些人类活动措施，如城市化、水利水保工程措施等，也很少具有平行对比的条件。因而较多地采取前后对比实验的途径。

水文实验研究1.3 研究程序

基本上可分为3个阶段：根据任务要求进行实验设计：完善测试技术手段，保证资料的精度和完整性；及时分析研究实验结果。与一般水文站闸观测要求不同，水文实验研究不是为了积累资料，而是依据所提任务具有明确求解目的的研究工作。因此首先需要进行实验设计，即针对课题任务在制定初步求解方式的前提下，对实验场所的选定、实验的方式和途径、观测试验项目的数量及其组合等实验方案，作出尽可能周密和科学的安排。在实验进程中，要阶段性地检验和修正方案设计，使研究不断深化，以达到求解和近似求解的目的。正确的测试技术和方法是保证水文实验研究取得成果的核心，比常规水文测验要求更加严格。这不仅指某个要素的实时观测试验要求有一定的精度，更重要的是，对课题内容有关要素观测试验的精度（包括时程和数值）和实验数据的记录处理要求相应配套，具有对比性。有些实验，尤其是室内的模拟装置，可应用计算机技术控制实验过程，在观测试验作业、数据采集、信息处理等方面构成一个自动化或半自动化的系统。实验结果的分析，有数学物理方程求解，建立确定性水文数学模型作参数识别及统计分析等两三种方法进行分析研究。