多粒子示踪微流变与凝胶化的动态不均匀性

多粒子示踪微流变与凝胶化的动态不均匀性1905年,Enistein给出了微观粒子布朗运动的数学解释,间接证明了分子的热运动。一百年来,基于布朗运动的研究一直是数学、物理学、化学和生物学的基础和热点之一。多粒子示踪微流变技术是将微观探针粒子的运动与待测体系的力学性能关联起来的一门表征技术。相比于其它的流变学研究手段,多粒子示踪微流变学具有能够探测体系动态不均匀性的优势,得到了越来越多流变学者的关注。在这个领域,多数的研究都是用探针粒子的动态不均匀性来描述体系的动态不均匀性,即将描述空间粒子分布的vanHove函数推广到探针粒子的动态不均匀性研究当中。本论文基于上述背景,将探针粒子添加到凝胶化的体系当中,研究并区分了探针粒子的动态不均匀性和待测体系的动态不均匀性之间的关系,提出了探针粒子探测尺度与待测体系之间的尺度耦合对探针粒子的动态不均匀性的影响。本工作的主要内容和结果如下:1,给出了探针粒子和待测体系间的力-位移关系的详细数学推导过程。对多粒子示踪微流变技术中常用到的广义Stokes-Einstein关系（GerneiralizedStokes-EinsteinRelation,GSER）进行了解释,借此明确了微观和宏观的之间的联系和区别。给出了探针粒子的动态不均匀性的理论根据,讨论了描述空间粒子的vanHove函数和四点相关函数,并对探针粒子的位移分布进行了数学解释。2,给出了多粒子示踪技术的建立过程,对原始图像的降噪优化,探针粒子的定位以及轨迹的获取过程进行了详细的阐述。从理论上分析了引起仪器测试误差的原因并通过实验验证给出了不同实验条件与误差的关系,如光漂白会造成静态误差增大,曝光时间会引起动态误差等等。通过误差分析,给出了合适的拍摄条件,实现了空间动态分辨率约20nm,时间分辨率约0.03s。并以此为基础精确测得了水的粘度,与理论值相比,误差在0.2%以内。最后,给出了实际统计和计算时遇到问题的处理方案。3,对4wt%明胶凝胶化过程进行了测试。通过均方位移MSD-间隔时间Δt曲线证实了不同温度下（22°C,23°C,24°C,25°C,26°C,30°C）的明胶凝胶化过程的普适关系。通过非高斯因子α₂区分了凝胶化初期和凝胶化后期的动态不均匀性特征,发现了明胶凝胶化过程的动态不均匀性从无到有,且随着间隔时间Δt而下降的规律。首次将四点动态极化率推广到探针粒子体系,得出固定温度下明胶的松弛过程与传统的化学凝胶松弛过程相似的结论。观察了不同粒径（2a）的探针粒子在4wt%明胶体系的MSD-Δt和α₂-Δt曲线,讨论了不同粒径的探针粒子的a?MSD-Δt曲线一致和偏离的原因。4,对6wt%明胶凝胶化过程进行了测试。利用GSER和标度理论精确获得了明胶的凝胶化点,讨论了宏观与微观的联系和区别。利用高分子流变学相关理论计算了明胶凝胶化过程中随着观察时间t_w变化的时间尺度τ_max（t_w）和长度尺度ξ（t_w）。同时,利用探针粒子的均方位移曲线给出了探针粒子探测时间尺度Δt和长度尺度MSD^1/2。通过讨论明胶尺度和探针粒子尺度,发现当二者尺度相当时,探针粒子可能经历的各种非遍历性,且间隔时间Δt越小,非遍历性越容易出现的规律。利用探针粒子位移分布P（Δx）和非高斯因子α₂分析了不同观察时间t_w下的探针粒子动态不均匀性。结果显示,动态不均匀性出现在明胶尺度ξ（t_w）和探针粒子尺度MSD^1/2交汇处,讨论了探针粒子的动态不均匀性与探针粒子和明胶的尺度耦合的关联性。最后,研究了探针粒子的扩散系数分布P（D）,观察到了双峰现象,认为探针粒子处于不同的局部微环境,对应着凝胶化体系中的凝胶巨分子和溶胶集团,而这二种结构的存在造成凝胶化点附近出现较大的动态不均匀性。5,对盐浓度5mMNaCl的2wt%合成水辉石（Laponite）的凝胶化过程进行了测试。在已有的Laponite研究基础上计算了Laponite体系的时间尺度τ_max（t_w）和长度尺度ξ（t_w）。结果显示,Laponite的凝胶化过程的动态不均匀性特征与明胶凝胶化类似,探针粒子的动态不均匀性也出现在Laponite尺度与探针粒子尺度MSD^1/2交汇处,再次讨论并验证了尺度耦合对探针粒子动态不均匀性的影响。6,对0.1-2wt%的卡波姆微凝胶体系进行了测试。研究了探针粒子（0.5μm）与体系（卡波姆尺寸约0.1-1μm）尺度相当时的动态不均匀性特征。发现了探针粒子在卡波姆微凝胶体系内丰富的遍历性和非遍历性现象,并利用尺度耦合成功解释了探针粒子的动态不均匀性。利用单探针粒子的均方位移MSD-Δt曲线说明了卡波姆微凝胶体系在空间上的分布是非遍历性和不均匀的;利用单探针粒子的非高斯因子α₂^sp-Δt曲线说明单个探针粒子既有遍历性的运动,又有非遍历性的运动,体现了卡波姆微凝胶与探针粒子间丰富的尺度耦合现象。7,研究了明胶-探针粒子-大肠杆菌体系的尺度耦合现象。发现大肠杆菌的加入并没有对明胶凝胶化的普适均方位移曲线的形状造成显著的影响。同时,大肠杆菌运动受到明胶交联网络的限制平均速度由25μm/s降到6μm/s。研究了大肠杆菌的