（凝聚態(tài)物理專業(yè)論文）基于mie散射理論的pmma弱作用強(qiáng)響應(yīng)軟物質(zhì)特性的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

摘要 基于mie 散射理論的p m m a 弱作用強(qiáng)響應(yīng)軟物質(zhì)特性的理 論與實(shí)驗(yàn)研究 摘要 近年來(lái) 交叉學(xué)科引起廣泛關(guān)注 軟物質(zhì)是近年來(lái)興起的凝聚態(tài) 物理與化學(xué) 材料科學(xué)及生命科學(xué)交叉學(xué)科的新生長(zhǎng)點(diǎn) 學(xué)科從單一 走向多學(xué)科交叉 大量的問(wèn)題有待解決 特別是軟物質(zhì)體系弱作用強(qiáng) 響應(yīng)性質(zhì)如何表現(xiàn)及如何利用弱作用強(qiáng)響應(yīng)的軟物質(zhì)特性開(kāi)發(fā)特殊 功能新型智能材料是目前軟物質(zhì)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn) 高聚物光散射材料 是一種典型的軟物質(zhì) 對(duì)高聚物光散射材料的開(kāi)發(fā)研究 國(guó)內(nèi)外主要 從實(shí)驗(yàn)上研究不同添加物微球?qū)Σ牧瞎馍⑸湫阅艿挠绊?很少?gòu)睦碚?出發(fā)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬添加物對(duì)高聚物復(fù)合材料光散射性能的影 響 正確的數(shù)學(xué)模型對(duì)材料的研究及開(kāi)發(fā)具有高效 經(jīng)濟(jì)的指導(dǎo)作用 以p m m a 制備的高聚物材料是目前世界上應(yīng)用最為廣泛散射材料之 一 本文在這些工作的基礎(chǔ)上 基于m i e 散射理論 建立數(shù)學(xué)模型 對(duì)包含p m m a 的軟物質(zhì)復(fù)合材料的光散射性能進(jìn)行模擬 并用實(shí)驗(yàn)證 實(shí)理論模擬的結(jié)論 取得如下的研究成果 l 基于m i e 散射理論建立了數(shù)學(xué)模型 該模型不但適用于添加 一種散射體粒子的情況 同時(shí)也適用于添加的散射體是具有不同粒徑 不同折射率的多粒子情況 2 微量s t 預(yù)聚產(chǎn)物對(duì)p m m a p s 復(fù)合光散射材料的光散射性能 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 方面具有很強(qiáng)的作用 隨著s t 預(yù)聚體系用量的增加 樣品的散射性 能呈拋物線形式變化 當(dāng)s t 的添加量為0 5 0 時(shí) 光散射最強(qiáng) 3 微量添加s b r 使樣品的有效光散射能力隨預(yù)聚體系m m a 添 加量之間呈現(xiàn)振蕩變化關(guān)系 s b r 添加量越多振蕩越強(qiáng) s b r 與m m a 的添加量極其微小 不足基體質(zhì)量的0 1 但使p s p m m a 復(fù)合材料 的有效光散射能力提高2 5 表現(xiàn)出顯著的弱作用強(qiáng)響應(yīng)特性 4 微量添加二茂鐵或口一羥基乙基二茂鐵對(duì)m m a 聚合速率有顯 著的影響 當(dāng)添加的二茂鐵和d 一羥基乙基二茂鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 0 0 7 著n0 1 0 時(shí) m m a 聚合速率最快 實(shí)現(xiàn)了室溫下的快速聚合 5 通過(guò)對(duì)口一羥基乙基二茂鐵添加量的調(diào)整實(shí)現(xiàn)了對(duì)m m a 爆聚 的控制 解決了傳統(tǒng)熱聚合容易爆聚的問(wèn)題 對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)具有指導(dǎo) 意義 關(guān)鍵詞 軟物質(zhì) m i e 散射 二茂鐵衍生物 p m m a p s t h e o r e t i c a l a n de x p e m m e n t a ls t u d yt h e u g h ts c a t t e n gn a t u r eo fp m m a b a s e d0 n m i es c a t t e r i n gt h e o r y a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s c r o s s d i s c i p l i n a r yc a u s e dw i d e s p r e a dc o n c e r n s o f t m a t e r i a li san e wc r o s s d i s c i p l i n a r yp o i n to fc o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s c h e m i s t r y m a t e r i a l ss c i e n c ea n dl i f es c i e n c e s o f t m a t e r i a li sah o tt o p i c a tp r e s e n t t h es c o p eo ft h es t u d yf r o ms i n g l es u b j e c tt om u l t i d i s c i p l i n a r y c r o s s s oal a r g en u m b e ro fi s s u e sh a v et ob es o l v e d p a r t i c u l a r l yt h e n a t u r eo fs o f tm a t e r i a l t h a ts t r o n gr e s p o n s et ot h ew e a ke f f e c th o wt o r e p r e s e n t a n dh o wt ou s et h en a t u r e t o d e v e l o p n e wi n t e l l i g e n t m a t e r i a l sw i t hs p e c i a lf u n c t i o n h o w e v e r a th o m ea n da b r o a d t h es t u d y o ft h en a t u r eo fs t r o n gr e s p o n s et ot h ew e a kr o l ei sj u s ts t a yi nt h es t u d y o ft h ee x p e r i m e n t a lp h e n o m e n o n f e wm a t h e m a t i c a lm o d e lh a db u i l tt o s i m u l a t et h en a t u r e b a s e do nt h e s ee f f o r t sa n dm i es c a t t e r i n gt h e o r y i h a db u i l tam a t h e m a t i c a lm o d e lt os i m u l a t et h el i g h ts c a t t e r i n gp r o p e r t i e s i 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 o ft h ec o m p o s i t es o f tm a t e r i a l a n dt h e nb ye x p e r i m e n tc o n f i r m e dt h e c o n c l u s i o n so fs i m u l a t i o n h a do b t a i n e dt h ef o l l o w i n gr e s u l t s 1 b a s e do nt h em i es c a t t e r i n gt h e o r yih a db u i l tam a t h e m a t i c a l m o d e l w h i c hm a ya p p l yn o to n l yt ot h ec a s e sw h e nt h ea d d i t i o n sa r et h e s a m et y p e b u ta l s oc a na p p l yt ot h ec a s e sw h e nt h ea d d i t i o n sa r ev a r i o u s p a r t i c l e sw h i c h h a v ed i f f e r e n ts i z e sa n dd i f f e r e n tr e f r a c t i v ei n d e x 2 t r a c ep r e p o l y m e ro fs th a v eag r e a ti m p a c to nt h el i g h ts c a t t e r i n g a b i l i t yo fp m m a p sc o m p o s i t em a t e r i a l w i t ht h ei n c r e a s eo fs t s c o n t e n t t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns t c o n t e n ta n dt h el i g h ts c a t t e r i n g a b i l i t y a r es e r i e so fp a r a b o l a s w h e ns t sc o n t e n ti s0 5 0 t h el i g h t s c a t t e r i n ga b i l i t yo ft h es a m p l ei ss t r o n g e s t 3 t r a c es b ra d d e dt op s p m m ac o m p o s i t em a t e r i a lh a v eag r e a t i m p a c to nt h el i g h ts c a t t e r i n gp r o p e r t i e so ft h es a m p l e w i t ht h ei n c r e a s e o fm m a sc o n t e n t t h el i g h ts c a t t e r i n ga b i l i t yo ft h es a m p l ei so s c i l l a t i o n w i t ht h ei n c r e a s eo fs b r c o n t e n tt h eo s c i l l a t i o ni sm u c hm o r ep o w e r f u l t h es b r a n dm m a c o n t e n ti se x t r e m e l yt r a c e l e s st h a n 0 1 b u t m a k et h ee f f e c t i v el i g h ts c a t t e r i n g a b i l i t yo fp s f p m m ac o m p o s i t e m a t e r i a li m p r o v e db y2 5 4 t r a c ef co rh y d r o x ye t h y lf e r r o c e n eh a sas i g n i f i c a n ti m p a c to n t h e p o l y m e r i z a t i o n r a t eo fm m a w h e nt h eq u a l i t ys c o r eo ff co r h y d r o x ye t h y lf e r r o c e n ei s0 0 7 a n do 1 0 t h ep o l y m e r i z a t i o nr a t ei s f a s t e s t a tr o o mt e m p e r a t u r ec a l la c h i e v er a p i dp o l y m e r i z a t i o nr a t e 5 b ya d j u s t i n gt h ea m o u n to fh y d r o x ye t h y lf e r r o c e n e w e c a l l c o n t r o lt h ep o l y m e r i z a t i o na n ds o l v et h et r a d i t i o n a lp r o b l e mo fe a s yt o e x p l o s i v ep o l y m e r i z a t i o n t h e s e h a v ea l e a d i n gm e a n i n g t o i n d u s t r i a l i z a t i o n k e yw o r d s s o f tm a t e r i a l m i es c a t t e r i n g f e r r o c e n ed e r i v a t i v e s p m m a p s v 北京化工大學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)卜 獨(dú)立 進(jìn)行研究工作所取得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本論文不含 任何其他個(gè)人或集體己經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果 對(duì)本文的研究做出重 要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體 均已在文中以明確方式標(biāo)明 本人完全意識(shí)到本聲 明的法律結(jié)果由本人承擔(dān) 儲(chǔ)繇寥罐 逭吼砑1 6 3 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 學(xué)位論文作者完全了解北京化工大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī) 定 即 研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬北京化工大 學(xué) 學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán) 允 許學(xué)位論文被查閱和借閱 學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容 可 以允許采用影印 縮印或其它復(fù)制手段保存 匯編學(xué)位論文 本學(xué)位論文1 i 屬于保密范圍 適用本授權(quán)書(shū) 作者簽名 高 磐 盤(pán) 日期 銎粵 一 導(dǎo)師簽名 毳紐 五 日圳 b 9 孟 o 第一章緒論 1 1 軟物質(zhì) 第一章緒論 2 0 世紀(jì)的物理學(xué)開(kāi)拓了對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí) 深入研究和認(rèn)識(shí)了如金屬 半導(dǎo) 體 陶瓷等 硬物質(zhì) 對(duì)社會(huì)和技術(shù)進(jìn)步產(chǎn)生了巨大推動(dòng)作用 2 1 世紀(jì)被稱為生 命科學(xué)的世紀(jì) 而生命科學(xué)如生命結(jié)構(gòu) d n a 蛋白質(zhì)等等 正是建立在軟物質(zhì)的基 礎(chǔ)上 作為人類未來(lái)技術(shù)中的重要組成部分以及生命本身不可或缺的基石 軟物 質(zhì)的許多新奇行為 豐富的物理內(nèi)涵和廣泛的應(yīng)用背景引起越來(lái)越多物理學(xué)家的 興趣 軟物質(zhì)物理已經(jīng)成為物理學(xué)的一個(gè)新的前沿學(xué)科 是具有挑戰(zhàn)性和迫切性 的重要研究方向 是物理學(xué)通向生命科學(xué)的橋梁 軟物質(zhì)物理代表了2 1 世紀(jì)凝聚 態(tài)物理發(fā)展的重要趨判1 2 1 1 1 1 軟物質(zhì)概念 1 9 9 1 年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者 法國(guó)物理學(xué)家德熱納 p gd eg e n n e s 在諾貝爾獎(jiǎng) 授獎(jiǎng)會(huì)上以 軟物質(zhì) 為演講題目 用 軟物質(zhì) 一詞概括復(fù)雜液體等一類物質(zhì) 得到廣泛認(rèn)可f 3 j 從此軟物質(zhì)這個(gè)詞逐步取代美國(guó)人所說(shuō)的 復(fù)雜流體 開(kāi)始推 動(dòng)一門(mén)跨越物理 化學(xué) 生物三大學(xué)科的交叉學(xué)科的發(fā)展 軟物質(zhì) s o f tm a t t e r 或稱軟凝聚態(tài)物質(zhì) s o f tc o n d e n s e dm a t t e r 是指處于固體和理想流體之間的復(fù)雜態(tài) 物質(zhì) 從物理意義上講 軟物質(zhì)的概念是從體系的焓與熵的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系確定的 4 對(duì)于有相互作用的系統(tǒng) 熱力學(xué)平衡下體系的狀態(tài)取決于體系的自由能 f 一日一搭最小f 5 j 這里陸黽體系的焓 醍溫度 蹉熵 顯然當(dāng)m 最小 躡大時(shí) 體系的自由能最小 體系處于平衡態(tài) 在某些體系中 如無(wú)機(jī)小分子晶體 焓的 變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熵的變化 甚至體系的熵在狀態(tài)變化過(guò)程中變化為零 此時(shí)體系要 達(dá)到平衡態(tài)只需要焓達(dá)到最小即可 這種由能量控制相轉(zhuǎn)變即能致相交的體系通 常表現(xiàn)出 硬 的性質(zhì) 我們將這樣的物質(zhì)稱之為硬物質(zhì) 對(duì)于硬物質(zhì) 由于能量4 目挎加入 導(dǎo)致體系焓增加 于是在非平衡動(dòng)力學(xué)演 變過(guò)程中只能通過(guò)熵的增加來(lái)達(dá)到最后的自組織狀態(tài) 因此硬物質(zhì)系統(tǒng)由于能量 的加入系統(tǒng)朝無(wú)序方向發(fā)展 例如一塊晶體 它的平衡態(tài)是由自由能f h t s 的 極小值決定的 如果用外力去拉伸晶體 晶體就會(huì)偏離其平衡態(tài) 自由能增大 外 加的拉力迫使晶體的原子間距增大 即外力對(duì)抗了原子間的作用傲了功 因此外界 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 提供的能量分布在晶格之間的諧振子能量中導(dǎo)致其固體焓增加 而原子間距不同 程度的拉伸所產(chǎn)生的構(gòu)形對(duì)應(yīng)于熵增加 即往無(wú)序方向發(fā)展 這就體現(xiàn)了硬物質(zhì)能 致相變的特點(diǎn) 對(duì)于某些體系 如液晶 高分子等 體系熵的變化不能忽略 甚至大于焓的 變化 或者焓在狀態(tài)變化過(guò)程中幾乎保持不變 因而在熱力學(xué)平衡下 確定平衡 態(tài)的自由能最小要求熵最大而不是焓最小 系統(tǒng)的相行為由熵最大決定 即所謂 熵致相變1 6 l 這種由熵效應(yīng)控制相轉(zhuǎn)變的體系通常表現(xiàn)出 軟 的性質(zhì) 我們將 這樣的物質(zhì)稱之為軟物質(zhì) 對(duì)于典型的軟物質(zhì)系統(tǒng) 外界能量的加入不會(huì)引起系統(tǒng)焓的強(qiáng)烈變化 甚至 可能幾乎沒(méi)有變化 因而在動(dòng)力學(xué)演變過(guò)程中要求熵變小以實(shí)現(xiàn)最后的自組織狀 態(tài) 換句話說(shuō) 軟物質(zhì)系統(tǒng)由于平衡態(tài)的打破 在動(dòng)力學(xué)演變過(guò)程中常常以無(wú)序 的方式開(kāi)始卻向有序的方向 熵減 發(fā)展1 4 例如對(duì)橡膠拉伸的情況 拉力并沒(méi)有迫 使分子中的原予間距改變 而是使交聯(lián)點(diǎn)間的分子線段變直 即外力無(wú)法對(duì)體系焓 有貢獻(xiàn) 唯一的辦法是調(diào)整聚合物構(gòu)形 使彎曲的分子線團(tuán)拉直 從而使分子線段 的位形熵減小 也就是說(shuō)拉伸的結(jié)果是使有序度增加 這體現(xiàn)了軟物質(zhì)熵致相交的 特點(diǎn) 這種偏離平衡位置 熵最大 引起的熵改變會(huì)產(chǎn)生一種力 即所謂熵力 我們 用手拉伸橡皮筋時(shí) 其恢復(fù)力主要來(lái)源就是這種熵力 在硬物質(zhì)中 粒子間的相互 作用決定了系統(tǒng)偏離能量極小時(shí)的恢復(fù)力的特性 而在軟物質(zhì)中 是由熵的變化產(chǎn) 生系統(tǒng)偏離熵極大狀態(tài)時(shí)的恢復(fù)力 軟物質(zhì)系統(tǒng)對(duì)外界擾動(dòng)的響應(yīng)基本上是由這 種 熵力 所驅(qū)動(dòng) 熵作為有序的驅(qū)動(dòng)力似乎與人們的直覺(jué)相悖 早在1 9 4 9 年 o m a g c r 就指出 一個(gè)各向同性的液晶系統(tǒng)隨著液晶棒濃度的增加 一定會(huì)出現(xiàn)一個(gè)由液晶棒沿某 一方向取向有序的向列晶相的轉(zhuǎn)變 他認(rèn)為 在濃度足夠高時(shí) 取向有序?qū)е碌?熵?fù)p失一定會(huì)由向列相中液晶棒的自由體積增加引起的平移熵增量來(lái)補(bǔ)償 從各 向同性的無(wú)序相到向列相過(guò)程中 取向熵和平移熵的作用不斷增加 實(shí)際上 取 向幾乎平行的液晶棒所占有的自由空間比無(wú)規(guī)取向的棒自由空間大 從而導(dǎo)致液 晶棒有更大的平移熵 對(duì)由硬球組成的膠體系統(tǒng)其晶化過(guò)程也可以類似地理解 當(dāng)濃度很高時(shí) 如圖1 1 1 7 1 膠體晶化導(dǎo)致位置有序的混合熵?fù)p失被更多因膠體聚 集后小分子自由體積增加引起的平移熵增加所補(bǔ)償 由硬球組成的膠體的晶化和 液晶棒的有序向列晶相轉(zhuǎn)變 都說(shuō)明熵是這類捧斥粒子聚集和有序化的驅(qū)動(dòng)力 因此 系統(tǒng)取向 位置和混合熵的損失一定會(huì)由最終有序相出現(xiàn)而引起更多的自 由體積增加貢獻(xiàn)的熵增量來(lái)補(bǔ)充 由不同大小的硬球組成的混合物或是硬棒和硬 球組成的混合物 自由體積效應(yīng)相當(dāng)明顯 這對(duì)理解熵致相變有極大的意義 2 第一章緒論 a 蚴 i g l l 1 c a 膠體粒子分離時(shí)由于捧斥體積引起聚合物小分子濃度較高 b 粒子聚集后聚合物小分子濃度降低 自由體積增加 f i g 1 1f r e ev o l u m ec h a n g e dc a u s e db yc o l l o i dc o n c e n u a t i o n s 1 1 2 軟物質(zhì)共同特征 軟物質(zhì)是一類復(fù)雜體系 其有如下一些共同特征i s 體現(xiàn)著軟物質(zhì)的柔性和 復(fù)雜性 1 軟物質(zhì)的熵效應(yīng)決定了軟物質(zhì)體系具有弱作用強(qiáng)響應(yīng)特性 2 尺度介于原子大小和宏觀尺寸之間 幾十廿歷至峨 量級(jí) 3 可以應(yīng)用租粒模型而略去原子尺寸的細(xì)致結(jié)構(gòu) 4 容易偏離平衡態(tài) 并且回歸平衡態(tài)的弛豫過(guò)程相當(dāng)緩慢 5 重力引起的變形 熱漲落引起的粒子的布朗運(yùn)動(dòng)等往往表現(xiàn)得很重要 6 界面的影響很大 表面張力的影響可能導(dǎo)致獨(dú)特的結(jié)構(gòu) 7 在復(fù)雜的生物 物理 化學(xué)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)下 有形成自組織的傾向 其中對(duì)外界微小作用的敏感 非線性響應(yīng)即弱作用強(qiáng)響應(yīng)及自組織行為是軟 物質(zhì)最典型的性質(zhì) 是目前軟物質(zhì)領(lǐng)域研究的重點(diǎn) 1 1 2 1 弱作用強(qiáng)響應(yīng) 對(duì)于軟物質(zhì)只要提供相對(duì)微弱的作用 可以使軟物質(zhì)從形狀至4 物理化學(xué)性質(zhì) 發(fā)生改變 這種作用可能是物質(zhì)組成或結(jié)構(gòu)的微小變化 也可能是施加于軟物質(zhì) 之上的瞬間的 微弱的刺激等等 實(shí)際上 軟物質(zhì)對(duì)微弱作用產(chǎn)生強(qiáng)響應(yīng)的現(xiàn)象 在日常生活中非常普遍 如在墨汁中加一點(diǎn)阿拉伯膠就能使之穩(wěn)定時(shí)間大大延長(zhǎng) 3 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 一點(diǎn)紅鹵就能使豆?jié){變成豆腐 幾滴洗潔精會(huì)產(chǎn)生一大堆泡沫 一顆紐扣電池可以 驅(qū)動(dòng)液晶手表工作幾年等掣9 l 膠汁變成橡膠 也體現(xiàn)了軟物質(zhì)弱作用強(qiáng)響應(yīng)的 奇異特性 i o 天然橡膠在空氣中易被氧化而破碎 但天然橡膠經(jīng)硫化處理后卻能 成為堅(jiān)固耐用的材料 天然橡膠硫化時(shí)平均每2 0 0 個(gè)碳原子中僅1 個(gè)碳原子與硫 發(fā)生反應(yīng) 但正是由于如此微弱的化學(xué)作用 天然橡膠的物理性質(zhì)發(fā)生了從液態(tài) 到固態(tài)的巨大變化 1 1 1 在外界作用下軟物質(zhì)會(huì)發(fā)生如此大的變化從而導(dǎo)致喜劇性的效果 表明軟物 質(zhì)有其特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 軟物質(zhì)大多來(lái)自于有機(jī)物質(zhì) 其結(jié)構(gòu)常常介于固體和液 體之間 雖然從宏觀尺度看不像晶體結(jié)構(gòu)那樣有周期性 從原子 分子尺度看也 是完全無(wú)序 但在介觀尺寸下其存在規(guī)則的結(jié)構(gòu) 1 1 2 2 自組織 自組織是軟物質(zhì)的另一個(gè)典型特性 也是目前軟物質(zhì)領(lǐng)域研究的另一個(gè)熱點(diǎn) 自組織是指分子及納米顆粒等結(jié)構(gòu)單元在平衡條件下靠自發(fā)的化學(xué)吸附或化學(xué)反 應(yīng)在襯底上自發(fā)地形成熱力學(xué)上穩(wěn)定 結(jié)構(gòu)上確定 性能上特殊的一維 二維甚 至三維有序的空間結(jié)構(gòu)的過(guò)程f 1 2 1 日常使用的許多材料以及生命物質(zhì)都是通過(guò)自 組裝 自組織得到的 由于軟物質(zhì)的柔軟性以及構(gòu)成軟物質(zhì)的單元本身的自組裝 能力 使得軟物質(zhì)在組成單元相互作用 熵和外力驅(qū)動(dòng)下顯示出豐富多彩的自組織 現(xiàn)象 常見(jiàn)的有 超分子如雙親分子的自組裝和聚集 單 大 分子自組織如高分子 構(gòu)象和生物大分子折疊 熵驅(qū)動(dòng)下的自組織 熵力和熵致相變 如膠體聚集和液晶 相交 非平衡動(dòng)力學(xué)自組織如場(chǎng)致相變 流致相變等 廿l 分子自組裝是近2 0 年來(lái)微 觀分子設(shè)計(jì)領(lǐng)域研究熱點(diǎn) 1 9 8 7 年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的i e l m 認(rèn)為 通過(guò)特殊相互作用 構(gòu)筑的二維 三維超結(jié)構(gòu)在催化 分離 能量傳輸 電化學(xué) 光學(xué)效應(yīng) 近分子 層次上的信息傳送方面會(huì)有廣闊的前景 關(guān)鍵在于超分子層次化學(xué)作用的控制 1 4 l 自組織一般分為熱力學(xué)自組織和編碼自組織 熱力學(xué)自組織是在其過(guò)程中呈 現(xiàn)出能量最低的狀態(tài) 也就是穩(wěn)定性最大的形式 如雨滴的形成 自組織薄膜的膜 層與襯底表面之間 膜層與膜層之間的結(jié)合力大致包括共價(jià)鍵 配位鍵 離子一共 價(jià)鍵 電荷轉(zhuǎn)移 氫鍵 靜電吸引等形式的作用力 在共價(jià)鍵等形式的化學(xué)鍵力 驅(qū)動(dòng)下的自組織稱為化學(xué)自組織或化學(xué)吸附自組織 在靜電引力驅(qū)動(dòng)下的自組織 稱為靜電自組織 靜電自組織是一種物理吸附自組冽1 2 分子自組裝材料 特別是 自組裝膜材料由于其潛在的應(yīng)用前景而在工程應(yīng)用中得到愈來(lái)愈多的應(yīng)用 1 5 l 許 多多功能性高分子及納米粒子可自組裝成具有極高應(yīng)用價(jià)值的多層結(jié)構(gòu) 厚度接 近于零的單分子自組裝膜在化學(xué) 例如 鈍化 機(jī)械 例如 機(jī)械的浸潤(rùn)和附著 電子 例如 阻抗 和熱力學(xué) 例如 滲透性擴(kuò)散 性能的表面和界面改性方面有很好 4 第一章緒論 的應(yīng)用 對(duì)自組裝體系現(xiàn)已形成一整套表征方法 自組裝體系的分子結(jié)構(gòu)信息用紅外 光譜和光電子能譜來(lái)獲得 1 6 自組裝膜的厚度和粗糙度用橢圓光度和x 射線反射測(cè) 得 1 7 l 自組裝體系的熱力學(xué)性質(zhì)用示差掃描量熱 d s c x 射線衍射以及極化光譜 來(lái)研耕1 8 l 另外 人們還用電鏡 1 1 9 1 二次離子質(zhì)譜 s 訌s 嗍等來(lái)表征自組裝 體系 此外 原子力顯微鏡 a f m 借助針尖與所觀察材料中逐個(gè)原子發(fā)生作用 成 為從原子水平上研究自組裝體系最有力的工具之一 由于弱作用強(qiáng)響應(yīng)的特性和自組織行為 軟物質(zhì)可感知周圍環(huán)境的變化 根 據(jù)這一特性液晶顯示器 智能材料相繼被開(kāi)發(fā)出來(lái) 對(duì)信息時(shí)代做出了巨大的貢 獻(xiàn) 軟物質(zhì)弱作用強(qiáng)響應(yīng)特性及自組織行為的研究是軟物質(zhì)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn) 對(duì) 生命科學(xué)和材料科學(xué)等具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值 其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)不可低 估 1 1 3 軟物質(zhì)的分類 d eg e n n e s 提出的軟物質(zhì)包括液晶 高分子 雙親分子 生物大分子和膠體 而美國(guó)的科學(xué)界將液晶 高分子和膠體稱作復(fù)雜流體 事實(shí)上歐洲的軟物質(zhì)與美 國(guó)的復(fù)雜流體所涉及的對(duì)象是同一類凝聚態(tài)物質(zhì) 一 液晶 液晶是一類長(zhǎng)形分子結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物 在一定溫度范圍或不同濃度下 呈現(xiàn)出介于固態(tài)與液態(tài)之間的有序流體 它既具有液體的流動(dòng)性 又具有晶體的 光學(xué)各向異性 這些介于液體和晶體之間的相被稱為液晶相1 2 液晶中分子的取向有序可以有不同的程度和不同的形式 因此存在不同的液 晶相 從成分和出現(xiàn)液晶相的物理?xiàng)l件來(lái)看 液晶可分為熱致液晶 溶致液晶和聚 合物液晶3 類 1 熱致液晶是單成分的純化合物或均勻混合物在溫度變化下出現(xiàn)的液晶相 根 據(jù)分子排列的不同可分為近晶相 向列相和膽甾相三種 2 溶致液晶是由2 種或2 種以上組分形成的液晶 其中一種是水或其他的極性溶 劑 在一定濃度溶液中出現(xiàn)液晶相 最常見(jiàn)的溶致液晶有肥皂水 洗衣粉溶液 表 面活化劑溶液等 溶致液晶在生物系統(tǒng)中大量存在 因此 溶致液晶的研究對(duì)生 物物理學(xué)頗為重要 3 聚合物液晶是在溶致液晶的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)的 現(xiàn)在也已發(fā)現(xiàn)了熱致聚合物液晶 由于聚合物本身就是一種大分子化合物 因此 對(duì)聚合物液晶進(jìn)行研究可以增進(jìn)對(duì) 大分子物質(zhì)有序性的理解 5 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 用作液晶顯示器工作介質(zhì)的是向列相 也叫絲狀相 液晶分子 它們是一類 長(zhǎng)形有機(jī)分子 向列相中分子的位置是無(wú)序的 但是分子的取向具有有序性 這 種液晶的薄層在偏光顯微鏡下觀察時(shí) 呈絲狀型織構(gòu) 故稱之為絲相 分子位置 雜亂 但方向大致一致 故又稱為向列相 當(dāng)溫度升高 它們會(huì)通過(guò)相變而成為 普通的各向同性液體 向列相液晶的棒狀分子仍然保持著與分子軸方向平行的排列狀態(tài) 但沒(méi)有近 晶相液晶中那種層狀結(jié)構(gòu) 向列相中分子的重心混亂無(wú)序 但分子 桿 的指向矢 大體一致 向列相分子指向矢的有序排列使向列相物質(zhì)的光學(xué)與電學(xué)性質(zhì) 即折 射系數(shù)與介電常數(shù) 沿著及垂直于這個(gè)有序排列的方向而不同 正是由于向列相 液晶在光學(xué)上顯示正的雙折射性的單軸性與電學(xué)上的介電常數(shù)各向異性 使得用 電來(lái)控制光學(xué)性能和用液晶顯示成為可能 把向列相液晶分子按螺旋方式排列在幾微米厚的玻璃盒中 然后用幾伏的低 電壓就可以控制和改變盒內(nèi)液晶分子的排列 同時(shí)也改變其光學(xué)性質(zhì) 這就是 向 列相液晶顯示器 的基本工作原理 這種顯示器消耗的能量微乎其微 這是軟物 質(zhì)對(duì)信息時(shí)代的巨大貢獻(xiàn) 如果沒(méi)有這種極為節(jié)能的顯示屏 手持電話 筆記本 電腦 移動(dòng)式電腦終端以及車載衛(wèi)星定位器便不可能存在 信息時(shí)代是硬物質(zhì) 硅 半導(dǎo)體 與軟物質(zhì) 液晶 巧妙結(jié)合的時(shí)代 二 高分子聚合物 聚合物 2 2 1 是由原予以共價(jià)鍵組成的一條長(zhǎng)鏈分子 它是通過(guò)聚合過(guò)程形成的 聚合是指單體分子由于化學(xué)作用 形成直鏈或三維空間的網(wǎng)狀聚合物的過(guò)程 聚 合鏈的主要特征是沿主鏈方向有著強(qiáng)的化學(xué)鍵 而鏈與鏈之間則是由弱的范德華 力或氫鍵相結(jié)合 1 聚合過(guò)程 聚合過(guò)程一般分為兩類 即縮合聚合反應(yīng)和加成聚核反應(yīng) 縮合聚合也叫逐 步反應(yīng)聚合 和低分子量化合物的縮合完全一樣 兩種多官能度的分子互相發(fā)生 縮合形成聚合物 同時(shí)可能失去一個(gè)小分子 例如水 反應(yīng)一直進(jìn)行到其中一個(gè) 反應(yīng)物幾乎用完為止 通過(guò)控制反應(yīng)物和產(chǎn)物的量 在高溫下可以隨意移動(dòng)已經(jīng) 建立起來(lái)的平衡 加成聚合反應(yīng)也叫交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)聚合 包含這樣一些鏈?zhǔn)椒磻?yīng) 其中鏈載體可以是離子或者具有未配對(duì)電子的自由基的活性物質(zhì) 通過(guò)引發(fā)劑的 作用 可以形成自由基 這種自由基可以打開(kāi)烯類單體的雙鍵 并接在單體上 同時(shí)還剩下一個(gè)未配對(duì)電子 在非常短的時(shí)間內(nèi) 通常是幾秒鐘以內(nèi) 許多單體相 繼加在生長(zhǎng)的鏈上 最后兩個(gè)自由基間起反應(yīng)而互相消除活性 形成一個(gè)或幾個(gè) 聚合物分子 鏈?zhǔn)椒磻?yīng)生成的聚合物除某些特別情況外 一般在主鏈中都是碳原 子 均鏈聚合物 而從逐步反應(yīng)生成的聚合物 在主鏈中可以含有從單體的官能 6 第一章緒論 團(tuán)帶來(lái)的其他原子 雜鏈聚合物 由一種單體形成的聚合物稱為均聚物 但常常 采用不同類型的單體來(lái)制取優(yōu)異性能的聚合物 這類聚合物稱為共聚物 由于聚合物包含很多結(jié)構(gòu)單元 因此 結(jié)構(gòu)單元問(wèn)的復(fù)雜相互作用 焓以及聚 合物鏈因附加自由度引起的構(gòu)象熵之間的相互競(jìng)爭(zhēng) 決定了高分子鏈具有復(fù)雜的 構(gòu)形 三 膠體例 按照現(xiàn)行的觀點(diǎn) 膠體科學(xué)是由膠體分散體系 簡(jiǎn)稱分散體系 和界面兩大部 分組成的 國(guó)際純粹化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì) i u p a c 曾規(guī)定 凡顆粒直徑在卜1 0 0 0 納米 也有人主張膠體顆粒的范圍為1 1 0 0 納米 范圍內(nèi)者 皆屬膠體顆粒 含有 膠體顆粒的體系稱為膠體體系或分散體系 習(xí)慣上 把分散介質(zhì)為液體的膠體體 系稱為液溶膠或溶膠 如介質(zhì)為水則為水溶膠 當(dāng)介質(zhì)為固體時(shí)則為固溶膠 由 此可見(jiàn) 膠體體系是多種多樣的 膠體是物質(zhì)存在的一種特殊狀態(tài) 而不是一種 特殊的物質(zhì) 不是物質(zhì)的本性 任何一種物質(zhì) 在一定條件下可以以晶體形式存 在 而在另一種條件下 又可以以膠體形式存在 例如氯化鈉是典型的晶體 在 水中溶解為真溶液 當(dāng)用適當(dāng)方法使其分散于苯或醚中 則形成膠體溶液 膠體與真溶液完全不同 第一 膠體是熱力學(xué)上不穩(wěn)定的物系 有自發(fā)聚沉 的傾向 而真溶液是熱力學(xué)上穩(wěn)定的物系 第二 膠體是不均勻的多相物系 是一 相 分散相 分散在另一相 分散介質(zhì) 之中 膠粒與周圍分散介質(zhì)存在著物理界面 而真溶液則不存在物理界面 是熱力學(xué)上穩(wěn)定的均相物系 第三 膠體粒子由大量 原子或分子組成 膠團(tuán)量可以從幾萬(wàn)到幾百萬(wàn) 在一個(gè)膠體中 膠粒的大小與膠 團(tuán)量是不完全相同的 它可以用平均膠團(tuán)量及其分布曲線來(lái)描述 而真溶液則只 有固定大小及固定分子量 第四 膠體粒子沒(méi)有確定的組成和結(jié)構(gòu) 受外來(lái)添加物 的影響很大 而且它可以分裂 但在化學(xué)組成上仍保持原來(lái)的性質(zhì) 而真溶液中 的溶質(zhì)分子都有固定組成和結(jié)構(gòu) 也不能再分裂 聚結(jié)不穩(wěn)定性 多相不均勻性 多分散性和結(jié)構(gòu) 組成不確定性是膠體的四大特征 四 生物膜 活化劑i 冽 在原始生命的出現(xiàn)和演化的過(guò)程中 質(zhì)膜起了極其重要的作用 由于原始膜 的形成 使蛋白質(zhì) 核酸等生物分子不再與外界環(huán)境混在一起 而成為一個(gè)獨(dú)立 的體系 這個(gè)體系同外界隔離開(kāi)來(lái)并與外界物質(zhì)進(jìn)行交換 即新陳代謝 原始膜 在進(jìn)化過(guò)程中 它的結(jié)構(gòu)與功能不斷完善 形成了細(xì)胞的復(fù)雜膜系統(tǒng) 生物膜 科學(xué)研究證明 一系列的生命活動(dòng)都與生物膜密切相關(guān) 例如 細(xì)胞內(nèi)的廢物要靠 膜的清理才能捧出體外 維持細(xì)胞生存的能量是靠膜把食物內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化而來(lái) 的 外界的各種刺激 信息 傳到細(xì)胞時(shí) 先由膜上的 觸角 糖蛋白鏈來(lái)識(shí)別 然 后由膜把信息傳到有關(guān)器官 各自做出相應(yīng)的反應(yīng) 因此研究生物膜的結(jié)構(gòu)及功 7 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 能 是探索生命奧秘的一把鑰匙 模擬生物膜設(shè)計(jì)的人工膜 已經(jīng)應(yīng)用于海水淡 化 從海水中提取稀有金屬 污水處理等 生物膜的研究已成為軟物質(zhì)物理與生 物科學(xué)聯(lián)系最緊密的研究領(lǐng)域 典型的活化劑如雙親分子 其兩端 極性頭和碳?xì)湮舶?分別具有親水和疏 水特性 通過(guò)共價(jià)化學(xué)鍵牢固地結(jié)合在一起 1 7 兩嵌段共聚物把不相溶的兩種聚 合物予鏈a 和b 結(jié)合在一起 并各自分別浸潤(rùn)a 和b 聚合物 因而也可以看成一 類活化劑 在溶液中由于活化劑的存在會(huì)自組裝形成各種有序的結(jié)構(gòu) 如膠團(tuán) 泡和微乳狀液 1 1 4 主要研究領(lǐng)域及進(jìn)展 軟物質(zhì)或稱軟凝聚態(tài)物質(zhì)是凝聚態(tài)物理學(xué)的重要學(xué)科前沿 目前 國(guó)際上有 關(guān)軟物質(zhì)研究的主要方向及進(jìn)展包括 a 從簡(jiǎn)單的有序結(jié)構(gòu)到復(fù)雜結(jié)構(gòu)相變過(guò)程的統(tǒng)計(jì)物理研究 超分子自組裝和分子 聚集形成各種有序結(jié)構(gòu)過(guò)程中 有序結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的相變機(jī)理研究 b 懸浮膠粒 微乳液或分子聚集體之間相互作用導(dǎo)致進(jìn)一步有序化過(guò)程的研究 生物大分子的折疊以及晶化過(guò)程的研究 主要進(jìn)展包括 改變?nèi)芤航M分 在臨界 漲落附近將大大提高蛋白質(zhì)結(jié)晶成核速度 超分子組成的高分子結(jié)構(gòu)由于空間螺 旋性將會(huì)自組裝形成更大的螺旋結(jié)構(gòu)等等 c 軟物質(zhì)形態(tài)變化熵作用的理解 膠體等顆粒在耗散介質(zhì)如聚合物溶液和液晶溶 液中聚集時(shí)熵的作用 d 各種不穩(wěn)定性及弱作用強(qiáng)響應(yīng)特性導(dǎo)致軟物質(zhì)形貌 物理化學(xué)性質(zhì)變化是軟物 質(zhì)物理在生物技術(shù)和化學(xué)工業(yè)中具有重要應(yīng)用背景的課題 已研制出許多特殊功 能的新型復(fù)合材料 如制動(dòng)用新型電 磁流變液 e 襯底和表面模板誘發(fā)軟物質(zhì)形貌變化是今后工藝 器件 如光子晶體 設(shè)計(jì)和新 材料 新結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)的重要途徑 主要進(jìn)展如高分子聚合物和超分子混合溶液因襯 底花樣導(dǎo)致的微觀相分離結(jié)構(gòu)和采用溶膠 凝膠手段形成巨多孔晶體等 本論文研究的軟物質(zhì)是以p m m a 和p s 為基體的高分子聚合物 主要研究這 類軟物質(zhì)在光散射性能方面的弱作用強(qiáng)響應(yīng)性質(zhì) 因此下面介紹光散射的相關(guān)理 論 1 2 光散射理論 光散射材料是指能夠使光通過(guò)而又能有效地散射光的材料 2 5 1 透光率和霧度 8 第一章緒論 是評(píng)價(jià)高聚物散射材料光散射性能的兩項(xiàng)主要指標(biāo) 透光率是指透過(guò)試樣的光通 量和射到試樣上的光通量之比 硐 它是表征高分子材料透明程度的一個(gè)重要性能 指標(biāo) 高分子材料的透光率越高 其透明性就越好 霧度 又稱濁度 是透過(guò)試樣 而偏離入射光方向的散射光與透射光通量之比吲 是衡量透明或半透明材料不清 晰或渾濁的程度 是材料內(nèi)部或表面的不連續(xù)性或不規(guī)則性所造成的 1 2 1 材料霧度的計(jì)算嘲 透明材料霧度的定義為 透明材料的散透射比 與其總透射比 的比值 一 般用百分?jǐn)?shù)表示 若用日代表透明材料的霧度 則有 日 憶 x 1 0 0 1 1 在測(cè)量透明材料的霧度 時(shí) 垂直入射到被測(cè)試樣表面上的入射近似準(zhǔn)直光 束總光通量為氟 妒1 中的絕大部分光通量丸集中在6 的發(fā)散角口之內(nèi) 稱丸為直 入射光通量部分 妒l 中的偏離到發(fā)散角口以外的 極微小的一部分光通量為鴨 稱九為散入射光通量部分 參看圖卜2 九與鴨 丸之間的關(guān)系如下 嚷一九 九 1 2 噍經(jīng)過(guò)被測(cè)試樣的透射 形成了總透射光通量妒2 九中的大部分丸集中在5 的發(fā) 散角盧之內(nèi) 稱九為直透射光通量部分 包括九在內(nèi)的一小部分透射光通量九偏 離到發(fā)散角p 之外 稱妒4 為散透射光通量部分 妒2 與九 九之間的關(guān)系如下 如一九4 九 1 3 根據(jù)透射比定義可知 被測(cè)試樣的總透射比t 等于 t 九 九 1 4 散透射比乃等于 o 一紙一九 九 1 5 將 卜4 卜5 兩式代入到 卜1 式中得到用晚 妒2 九 九表示的被測(cè)試樣霧 度h 的計(jì)算公式 i 九 九一九 辦 1 6 9 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖l 2 入射 透射光通量示意圖 l 毽1 2s k e t c hm a po fl u m e n sa b o u ti n c i d e n c ea n dt r a n s m i s s i o n 1 2 2 光散射產(chǎn)生的機(jī)理 凹刪 如果媒質(zhì)的均勻性遭到破壞 即尺度達(dá)到波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)的臨近媒質(zhì)小塊之間在 光學(xué)性質(zhì)上 如折射率 有較大差異 在光波作用下 它們將成為強(qiáng)度差別較大 的次波源 而且從它們到空間各點(diǎn)有不可忽略的光程差 這些次波相干疊加的結(jié) 果 使光場(chǎng)中的強(qiáng)度分布與在均勻媒質(zhì)情形不同 這時(shí) 除了按幾何光學(xué)規(guī)律傳 播的光線外 在其他方向上也或多或少地有光線存在 這就是散射光 即產(chǎn)生了 散射 對(duì)于不均勻形態(tài)較大的媒質(zhì) 光散射也可看作是反射和折射的綜合結(jié)果 光散射現(xiàn)象是一種極其復(fù)雜的光學(xué)現(xiàn)象 介質(zhì)不均勻性引起的光散射 其原 因可用經(jīng)典振子模型來(lái)說(shuō)明 在入射光的激勵(lì)下 介質(zhì)分子中的電子作受迫振動(dòng) 振動(dòng)的電子可以看作是向周圍發(fā)射子波的波源 由于不均勻介質(zhì)中懸浮微粒毫無(wú) 規(guī)則的排列 或者由于密度的無(wú)規(guī)則漲落 破壞了子波源之間的確定位相關(guān)系 它們發(fā)出的子波疊加而成的光波傳播這便是散射光 宏觀看來(lái)就是其中一部分光 偏離原來(lái)傳播方向的現(xiàn)象 2 3 光散射的分類 3 吣1 捌 按散射介質(zhì)的均勻性光散射可分為兩大類 一類是光在渾濁媒質(zhì) 如含有煙 霧 水滴的大氣 乳狀溶液 膠體溶液等 中產(chǎn)生的散射 這就是懸浮微粒的散射 第一章緒論 另一類是在純凈媒質(zhì)中 由于分子的熱運(yùn)動(dòng)造成了介質(zhì)密度的局部漲落或因 分子各相異性引起分子取向起伏 這是由于部分分子的取向與均勻一致的方向有 偏離 從而使介質(zhì)的極化率發(fā)生了漲落 或因純?nèi)芤褐械臐舛绕鸱?導(dǎo)致媒質(zhì) 的光學(xué)性質(zhì)變得不均勻從而產(chǎn)生的散射稱為分子散射 按照散射光波長(zhǎng)的特點(diǎn) 散射可以分為兩類 一類是散射光波長(zhǎng)不變的散射 即散射光波長(zhǎng)等于入射光波長(zhǎng) 如瑞利散射與m i e 散射 在這類散射過(guò)程中介質(zhì) 分子本身的能態(tài)不發(fā)生變化 子波源作受迫振動(dòng)的頻率等于入射光的激勵(lì)頻率 另一類是散射光波長(zhǎng)和入射光波長(zhǎng)不相等的散射 如拉曼散射 這種散射過(guò) 程中分子的能態(tài)發(fā)生變化 對(duì)于散射光波長(zhǎng)不變的散射 根據(jù)懸浮微粒的線度大小又可以將散射分成瑞 利散射和m i e 散射 瑞利散射是指懸浮微粒的線度比入射光的波長(zhǎng)小得多時(shí)產(chǎn)生 的散射 它是入射光子與物質(zhì)發(fā)生的彈性散射 1 8 7 1 年 瑞利詳細(xì)研究了丁達(dá)爾 現(xiàn)象后提出 3 3 l 散射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度 單位體積內(nèi)的微粒數(shù)目及微粒的體積平 方成正比 而與散射光波長(zhǎng)的四次方成反比 瑞利散射的特點(diǎn)是散射光的強(qiáng)度隨 觀察方向角而變化 其空間分布曲面是以原光束的傳播方向?yàn)檩S的旋轉(zhuǎn)曲面 如 圖1 3 且前后對(duì)稱 散射光為偏振光 偏振度為觀察方向的函數(shù) 散射光強(qiáng)度 與散射光波長(zhǎng)的四次方成反比 h a聊 卜彳弋 f 引 i 散射光方向 入射光方向 圖1 3 瑞利散射光強(qiáng)分布 礬g 1 3i n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no f r a y l e i g hs c a t t e r i n g 傲射蔫 圖1 4 瑞利散射光強(qiáng)分布 f i g 1 4i n t e n s i t yd i s t n b u t i o no f m y l e i g hs c a t t e r i n g 1 1 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 當(dāng)懸浮微粒的線度等于或大于入射光波長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生的散射稱為m i e 散射 發(fā)生 m i e 散射時(shí) 散射光的光強(qiáng)與波長(zhǎng)n 次方的倒數(shù)成正比 小于4 本論文研究的高聚物復(fù)合光散射材料的散射微粒線度與入射光波長(zhǎng)相當(dāng) 屬 于m i e 散射的范疇 1 2 4 i e 散射理論 d i e 散射與瑞利散射的區(qū)別在于散射微粒較大 可與光波長(zhǎng)相比擬 1 9 0 8 年 m i c 從求解電磁波的麥克斯韋方程組出發(fā) 解出了一個(gè)關(guān)于光散射的嚴(yán)格數(shù)學(xué)解 3 4 l 得出了各向同性均勻粒子的光散射規(guī)律 建立了微粒的光散射理論m i e 理論 1 9 5 7 年 h c v a nd eh u l s t 出版了關(guān)于微小粒子光散射現(xiàn)象的專著 總結(jié)了粒子散 射的普遍規(guī)律 這本書(shū)被認(rèn)為是光散射理論領(lǐng)域的經(jīng)典文獻(xiàn) 1 9 6 9 年 c f b o h r e n 與0 r h u f l n a n 綜合前人的成果 又發(fā)表了關(guān)于微小粒子的光散射及吸收的一般規(guī) 律 更全面地解釋了光的各種散射現(xiàn)象 至此 微粒的光散射理論完全建立起來(lái) 了 x 圖1 5 粒子散射示意圖 f i g 1 5s k e t c hm a po fp a r t i c l es c a t t e r i n g 根據(jù)m k 散射理論 當(dāng)光強(qiáng)為l 在散射顆粒周圍介質(zhì)中波長(zhǎng)為a 的自然光 平行入射到一直徑為d 的各向同性的球形顆粒上 在散射角為口 距散射體 處的 散射光強(qiáng)為嗍 第一章緒論 品厶 e 凡掣 1 7 在入射光是平面偏振光的情況下 散射光強(qiáng)為 奔瓴咖2 妒鄙i n 2 妒乩 1 8 式中妒為入射光的電矢量相對(duì)于散射面的夾角 散射光一般是部分偏振光 散射光方向和入射光方向構(gòu)成的平面稱為散射平 面 散射光垂直于偏振光矢量 其矢量垂直于散射平面 的強(qiáng)度l 和平行于偏振 光矢量 其矢量平行于散射平面 的強(qiáng)度 分別為 l 2 南 一番編j 1 9 式中 簍0 篆三0 m l o 屯 是伽 口冷2 他 j 1 易為散射光的強(qiáng)度函數(shù) 墨 是稱為散射光的振幅函數(shù) 筇 s 2 分別為 墨和是的共軛復(fù)數(shù) a 一 字為散射顆粒尺寸參數(shù) d 為粒子的直徑 歷一m 一魄 為粒子相對(duì)于周圍介質(zhì)的折射率 虛部不為零時(shí)表示有吸收 當(dāng)周圍介質(zhì)為真空 時(shí) 相對(duì)折射率的定義為 光在真空中的速度c 與光在該介質(zhì)中的速度v 之比 由于 散射體粒子及其所處介質(zhì)的不同 其相對(duì)折射率會(huì)有不同的數(shù)值 c m v 正萬(wàn) 1 1 1 式中 e o 并1 1 e 分別為真空下和介質(zhì)內(nèi)的介電常數(shù) 鰳和p 分別為真空下和介質(zhì)內(nèi)的 磁導(dǎo)率 和一為相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率 對(duì)于一般的非磁性物質(zhì) 一 1 因此有m 一 f 散射光的振幅函數(shù)s 是由以下無(wú)窮級(jí)數(shù)決定 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 墨 薹赫岍 1 刁 屯一蠢糟 慨 j 錙糍蔫黜 吃 蔫襲器端j m t m 幺 口渺 沏口 一己 口 l f o 撇 一j 卜1 叫 叱 一爭(zhēng) 國(guó) 拍 睜知 o j 1 1 4 二 蜘等k o k o 2 1 v g 一k z 1 1 5 嘰o 壘巖妒 o 一妒 q 紕 至巖b 蜘 國(guó)i 篡童囂 1 6 z l 考j z 幺 g 一旦幺o 一j 卜 1 4 第一章緒論 吼乜卜8 m l 州力一三血z c o s zl 1 1 7 z 氫 z s i n z i c o s zi 島 z l s i n z f c o s z 一 s z f s i n z j 根據(jù)以上各式可求得特定粒徑 特定折射率的散射體粒子的4 和 假設(shè)介質(zhì)中只有單個(gè)球形散射體粒子 此時(shí)散射系數(shù)為 q 吾薹 2 l 1 o 1 2 1 8 將前面求得的a 與鞏代入 1 3 0 式即可求出單個(gè)球形粒子的散射截面q 由于物質(zhì)體系并非由某一單個(gè)粒子組成 而是由大量的同種粒子或多種粒子 組成 因此對(duì)多粒子體系光散射的研究更具有實(shí)用價(jià)值 對(duì)多粒子體系光散射的 研究基于以下假設(shè) 叼 粒子線度較粒子之間的距離小得多 0 忽略粒子對(duì)光的二次及高次散射 即平面線極化光只被微粒子散射一次 散射 光中無(wú)二次或高次散射成分 粒刊嘔域分布模型分艦想化觚態(tài)分布 r 卜擊 2 1 1 9 式中 h 為粒子中心半徑 6 為分散度 它表示中心粒徑附近粒子數(shù)占全部粒 子數(shù)的比例 則多粒子體系的散射系數(shù)可以表示為 蠆 啦 r 涉 妻醞m 蠆2 警黼州善藝r o 刪 1 2 0 伍 1 m 式中 r 為粒子半徑 厶 為 附近的粒子數(shù)密度 o 鈿為粒子半徑分布 的起始區(qū)間 n 為單位體積粒子數(shù) 其中半徑r 附近的粒子數(shù)密度可表示為 a n r r 1 2 1 由上述各式結(jié)合單粒子散射截面q i 散射體中心粒徑 和分散度6 則可求出多粒 子體系的散射截面西 有效光散射強(qiáng)度和散射截面成正比 散射截面越大 有效 光散射越強(qiáng) 因此我們可以用散射截面的大小來(lái)表征光散射的強(qiáng)弱 北京化工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章p m m a p s 復(fù)合光散射材料的光學(xué)弱作用強(qiáng)響應(yīng)特 性的理論模擬與實(shí)驗(yàn)研究 2 1 p m m a p s 復(fù)合光散射材料光學(xué)弱作用強(qiáng)響應(yīng)特性的理論模擬 本論文對(duì)于光散射的討論都假定復(fù)合m i e 光散射理論的條件約束 數(shù)值模擬 計(jì)算均使用m a t l a b 計(jì)算軟件進(jìn)行 2 1 1 散射截面與散射粒子粒徑及入射光波長(zhǎng)的關(guān)系 根據(jù)m i e 散射公式我們知道散射截面的大小與散射體粒子的粒徑及入射光 波長(zhǎng)有關(guān) 因此我們模擬了加入p s 散射粒子 嗍a p s 復(fù)合材料的散射截面與 p s 散射粒子的粒徑及入射光波長(zhǎng)的關(guān)系 結(jié)果如圖2 1 所示 由圖2 1 可以看 出 在不同波長(zhǎng)入射光的照射下