Instructor: 曹鑫
English version: Soft Matter Phases
Back to: 软物质物理课程笔记
胶体与热能尺度
胶体是分散相悬浮在连续相中的体系,典型尺寸约 10 nm 到 10 um。胶体相互作用常用 k_B T 衡量。
thermal=interaction comparable to kBT is reversible
diffusion=D=6πηRkBT
MSD=⟨Δr2⟩=2dDt
范德华吸引与电双层
atoms=U(r)=−C/r6
plates=W(h)=−12πh2H
spheres=UvdW(h)≈−12hHR
wall=UvdW(h)≈−6hHR
带电表面附近形成 Stern 层和扩散层。盐浓度越高,Debye 长度越短,排斥越短程。
Debye=λD=∑iqi2ciϵ0ϵrkBT
screening=ϕ(h)=ϕ0e−h/λD
Yukawa=ϕ(r)∝e−r/λD/r
zeta=U=ϵ0ϵrζE/η
DLVO 理论
DLVO 把电双层排斥和范德华吸引相加。高盐降低排斥势垒,导致胶体更容易聚集。
DLVO=UDLVO(h)=Ue(h)+UvdW(h)
repulsion=Ue(h)=Ae−h/λD
attraction=UvdW(h)≈−12hHR
salt=higher c gives smaller lambda_D and lower barrier
耗尽力
小颗粒不能进入大颗粒附近的耗尽层。两个大颗粒靠近时耗尽层重叠,小颗粒可用体积增加,熵增加,于是大颗粒产生有效吸引。
osmotic=p=nkBT
depletion=U(r)=−pΔV(r)
AO=ΔV(r)=6π(a+b−r)2(a+b+r/2)
range=range approx small-particle diameter b
硬球相与玻璃
硬球没有吸引力,但可以由熵驱动结晶。高体积分数下颗粒被邻居困住,可形成胶体玻璃。
hard sphere=u(r)=∞(r<σ),0(r≥σ)
phi=ϕ=Nb/V,b=πσ3/6
CS=Z=(1−ϕ)31+ϕ+ϕ2−ϕ3
coexist=ϕf=0.494,ϕs=0.545
packing=ϕ0=32π≈0.74
二维熔化可用 KTHNY 图像理解:固体相到六角相到液体相,机制是拓扑缺陷解绑定。活性胶体还可能出现 motility-induced phase separation。
考试抓手
胶体题先分清相互作用来源:vdW、electrostatic、depletion、hard sphere、activity。相行为题先看自由能 A = U - TS,硬球和耗尽力尤其要抓住熵驱动。