光镊测量胶体粒子间及界面与粒子间相互作用

摘要

光镊是利用强会聚光束与微粒之间线性动量的传递实现了光对微粒的三维捕获及操控，这种操控具有非接触式操控、无机械损伤、不干扰粒子周围环境等优点。光镊的捕获力在皮牛量级，刚好处在大多数胶体粒子间作用力的量级之内，所以很适用于研究胶体粒子间相互作用。 本文设计了以机械斩光器为关键器件、以双光镊为核心的双同步闪烁光镊。该系统利用光镊实现捕获、悬浮和排布粒子，而当光镊关闭时，粒子会在热随机力和其它作用力的作用下运动，利用数字显微摄像技术可以精确的测量粒子的运动轨迹，根据统计力学对粒子运动轨迹分析可得出粒子间的相互作用。这使我们能从粒子层次直接测量胶体粒子间相互作用。由于胶体粒子之间的相互作用决定了胶体的稳定程度，光镊成为我们从微观层面研究胶体稳定性的一种实用工具。而胶体稳定性研究在各个生产和生活领域都具有极其重要的地位和意义，历来受到人们的重视。 利用胶体粒子间相互作用势测量系统及相应的实验方法测量了聚苯乙烯球悬浮液中两个小球之间的相互作用势，其结果与经典DLVO理论相符，直接从微观层次验证了该理论的正确性。结合实验具体讨论了影响测量精度和效率的因素。 胶体与聚合物的相互作用是胶体体系稳定性的关键问题之一。有关聚合物调控的胶体稳定和絮凝方面的研究对于食品工业、油漆生产、石油开采等领域有着重要的实用价值。稳定还是絮凝与聚合物是否在粒子表面发生吸附有关。我们利用上述设备及方法测量了聚苯乙烯小球在嵌段共聚物水溶液中的空间相互作用，结合浊度和Zeta电位测量系统研究了嵌段共聚物对分散体系稳定性的影响，几种实验结果都较为一致。 在很多实验研究中出现了带同种电荷胶体粒子间相互吸引的现象，科研工作者提出了很多理论去解释该现象。我们基于粒子表面双电层形变的考虑，对这种现象进行了初步的计算机模拟，模拟结果和已有的实验结果比较符合。 胶体粒子与界面之间的流体动力学相互作用会影响粒子的布朗运动和扩散特性，同时也会影响到粒子之间的碰撞过程，影响到体系的稳定性。我们利用光与粒子之间角动量的传递产生的光致旋转效应测量了粒子在受到单平行界面限制下的扩散特性，取得了和已有的流体动力学理论相一致的结果。本文总结了各种光镊光致旋转现象的产生方法，系统研究了利用光与粒子之间角动量传递产生的光致旋转现象，初步研究了利用光束对粒子线性动量传递导致的旋转现象。光致旋转的系统研究为微机械马达、全光学开关的研制提供了一种有效手段。 光与粒子之间角动量的传递产生的光致旋转现象研究中，波片是控制旋转方向的关键元件。本文提出用迈克尔逊干涉仪测量波片的相位延迟量及快轴方向的新方法，测量结果表明方法是可靠的。 本文的主要创新点在于： 1、本文设计了一个可编程的同步斩光器，该机械斩光器主要由控制器、伺服电机、编码器和斩光盘等部件组成，斩光器控制器主要包括可编程控制器、伺服电机放大器及控制开关。根据粒子的布朗运动规律，研制出以机械斩光器为关键器件、以双光镊为核心的双同步闪烁光镊系统，该系统能够测量不同类型的胶体粒子间的相互作用。 2、本文利用胶体粒子间相互作用测量系统(双同步闪烁光镊)测量了聚苯乙烯球悬浮液中两个小球间的相互作用势，其结果与经典DLVO理论相符，直接从微观层次验证了该理论的正确性。结合实验具体讨论了影响测量精度和效率的因素。 3、本文利用胶体粒子间相互作用测量系统(双同步闪烁光镊)测量了聚苯乙烯小球在嵌段共聚物水溶液中的空间相互作用，结合浊度法、Zeta电位法系统研究了嵌段共聚物对分散体系稳定性的影响，几种实验结果都较为一致。为实际胶体体系的配置提供了微观理论指导。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

§1.1光镊技术

1.1.1光辐射压力及光镊的历史

1.1.2光镊原理

1.1.3光镊技术的发展及分类

1.1.4从光镊到光扳手——光致旋转效应

1.1.5光镊的功能、优点及典型应用

§1.2胶体研究的历史发展及现状

1.2.1胶体简介

1.2.2胶体稳定性

§1.3光镊用于研究胶体

§1.4本文的主要工作内容

参考文献

第二章胶体微粒间相互作用势测量方法的建立及设备研制

§2.1布朗运动

2.1.1粒子的自由布朗运动

2.1.2光镊中粒子的布朗运动

2.1.3粒子对的布朗运动及相互作用势的测量原理

§2.2同步闪烁光镊的研制

2.2.1同步闪烁光镊

2.2.2系统特点

§2.3本章小结

参考文献

第三章胶体稳定性的实验研究及计算机模拟

§3.1 DLVO理论

3.1.1胶体表面电荷来源及双电层理论

3.1.2胶体粒子间的引力——范德华引力

3.1.3胶体粒子之间的排斥力

3.1.4胶体粒子之间的位能曲线

§3.2 DLVO理论的微观实验验证

3.2.1实验过程及数据采集

3.2.2数据处理

3.2.3测量结果

3.2.4讨论

§3.3空间稳定理论及空位稳定理论

3.3.1空间稳定理论

3.3.2空位稳定理论

§3.4 Pluronic嵌段共聚物对聚苯乙烯分散体系稳定性影响的实验研究

3.4.1实验研究

3.4.2结论

§3.5带同种电荷胶体粒子间长程相互吸引的计算机模拟

3.5.1长程相互吸引作用

3.5.2计算机模拟

§3.6本章小结

参考文献

第四章光致旋转测量粒子与界面相互作用

§4.1界面对粒子扩散的影响

4.1.1单平面对粒子扩散运动的影响

4.1.2 双平面对粒子扩散运动的影响

§4.2分散体系扩散特性的测量方法

4.2.1动态光散射技术

4.2.2闪烁光镊法

4.2.3利用光致旋转效应来测量受限分散体系扩散特性

§4.3光致旋转效应用于测量受限分散体系扩散特性

4.3.1自旋角动量引起的光致旋转

4.3.2光致旋转效应测量受限分散体系扩散特性的实验研究

§4.4本章小结

参考文献

第五章光致旋转现象的相关研究

§5.1光致旋转的实现方法

5.1.1利用自旋角动量实现的光致旋转

5.1.2轨道角动量引起的光致旋转

5.1.3轨道角动量和自旋角动量的联合作用使粒子旋转

5.1.4线性动量引起的光致旋转

5.1.5各种光致旋转方法的比较

§5.2自旋角动量实现的光致旋转

5.2.1光功率的影响

5.2.2液体黏滞系数对转速的影响

5.2.3粒子旋转方向的控制及波片延迟量的测量

§5.3线性动量引起的光致旋转

5.3.1旋转

5.3.2摆动

5.3.3振动

5.3.4不同位置下旋转方向改变的分析

5.3.5粒子游走

§5.4本章小结

参考文献

第六章总结及展望

§6.1总结

§6.2展望

6.2.1光镊在胶体化学中的应用研究

6.2.2光致旋转的潜在应用价值

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢