項(xiàng)目名稱：    電、磁場(chǎng)誘導(dǎo)下膠體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的研究

推薦單位：    香港特別行政區(qū)

項(xiàng)目簡(jiǎn)介：    本項(xiàng)目是一項(xiàng)材料物理領(lǐng)域中膠體材料的實(shí)驗(yàn)和理論研究成果，由香港科技大學(xué)為主聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院物理研究所和上海交通大學(xué)有關(guān)研究人員通過(guò)十多年的緊密合作取得。本項(xiàng)成果在實(shí)驗(yàn)、理論和材料樣品制備工藝三方面都有獨(dú)創(chuàng)性重大突破。

實(shí)驗(yàn)方面:在外電場(chǎng)控制的膠體系統(tǒng)中系統(tǒng)地揭示了電場(chǎng)作用下膠體顆粒系統(tǒng)的介電系數(shù)、電導(dǎo)率隨場(chǎng)強(qiáng)和頻率的變化規(guī)律，澄清了水在膠體系統(tǒng)中的作用，實(shí)時(shí)觀察到高場(chǎng)強(qiáng)下顆粒聚集體基態(tài)結(jié)構(gòu)及其演變過(guò)程。實(shí)時(shí)測(cè)量了具有不同表面涂層膠體顆粒對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)間以及高場(chǎng)強(qiáng)下膠體系統(tǒng)的靜態(tài)屈服應(yīng)力。成功制備出具有性能穩(wěn)定、響應(yīng)時(shí)間短、剪切強(qiáng)度高的新型"巨電流變液"，實(shí)現(xiàn)了自電流變液效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來(lái)電流變液材料制作上的歷史性突破。研究了磁流變液聚集體的微觀基態(tài)結(jié)構(gòu)和介觀形態(tài)并觀察到磁性微球環(huán)的演變過(guò)程；首先觀察到磁性微球在電場(chǎng)和重力場(chǎng)聯(lián)合作用下的平面晶體結(jié)構(gòu)演變和五重對(duì)稱準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)；首先觀察測(cè)量了在電場(chǎng)和磁場(chǎng)聯(lián)合作用下介觀晶體的類馬氏體結(jié)構(gòu)相變等。這些新現(xiàn)象和新規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，不僅具有重大科學(xué)意義，有的已顯示出誘人的應(yīng)用前景。

理論方面: 獨(dú)立提出了從第一性原理出發(fā)、理論框架內(nèi)可以全面包含影響電流變液性質(zhì)的主要效應(yīng)如多極相互作用、局域場(chǎng)、復(fù)介電常數(shù)虛部（電導(dǎo)率）貢獻(xiàn)、統(tǒng)一解釋電流變液性質(zhì)、有預(yù)言能力的高場(chǎng)強(qiáng)介電電流變液理論。

樣品制作工藝和測(cè)量技術(shù)方面: 突破了長(zhǎng)期以來(lái)從已有材料中被動(dòng)選取所需實(shí)驗(yàn)樣品的慣例，發(fā)展了從納米到微米尺度適應(yīng)實(shí)際物理需要，有目的地自主制作各種不同性能涂層微球的獨(dú)創(chuàng)性技術(shù)。為了保證上述物理實(shí)驗(yàn)的精確測(cè)量，獨(dú)立設(shè)計(jì)和安裝了多種專用測(cè)量?jī)x器。

本項(xiàng)成果共在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文40多篇，被他人引用550多次，其中10篇代表性論文他引數(shù)為300多次。獲得美國(guó)專利5項(xiàng)，國(guó)內(nèi)專利2項(xiàng)。作為大會(huì)主席多次組織相關(guān)的國(guó)際及國(guó)內(nèi)會(huì)議。多次被邀請(qǐng)作國(guó)際會(huì)議特邀報(bào)告。

主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)：  本項(xiàng)目對(duì)電磁場(chǎng)控制下膠體系統(tǒng)開展了全面的理論和實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的一系列新規(guī)律。主要發(fā)現(xiàn)為：

1. 成功制備出性能穩(wěn)定、響應(yīng)時(shí)間短的新型電流變液材料 巨電流變液，其剪切強(qiáng)度達(dá)到250kPa以上，遠(yuǎn)超技術(shù)應(yīng)用閾值(30kPa)，實(shí)現(xiàn)了自電流變液效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來(lái)材料制作上的歷史性突破。提出表面極化飽和的模型理論，定量解釋了實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的巨電流變效應(yīng)�！静牧衔锢�；論文1】。

2. 獨(dú)立提出可全面包含影響電流變液性質(zhì)主要效應(yīng)的介電電流變液理論。導(dǎo)出了高場(chǎng)強(qiáng)下電流變液的顆粒基態(tài)位形，明確定義了電流變液的剪切模量和靜態(tài)屈服應(yīng)力，預(yù)言了介電電流變液剪切模量和靜態(tài)屈服應(yīng)力的上限，提出靜態(tài)屈服應(yīng)力取極大的固體微球的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，這些結(jié)論均為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)【材料物理；論文2】。

3. 突破了長(zhǎng)期以來(lái)從已有材料中被動(dòng)選取所需膠體顆粒樣品的限制，發(fā)展了根據(jù)實(shí)際需要制備從納米到微米尺度的不同性能涂層微球的獨(dú)創(chuàng)技術(shù)。利用此技術(shù)，首先觀察到磁性微球在電場(chǎng)和重力場(chǎng)聯(lián)合作用下的平面晶體結(jié)構(gòu)演變和五重對(duì)稱準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)【材料的組織、結(jié)構(gòu)、缺陷與性能科學(xué)；論文3】。

4. 在電、磁場(chǎng)聯(lián)合控制實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了介觀晶體的類馬氏體結(jié)構(gòu)相變，為制備微米/納米尺度光子晶體提供了新途徑。將介電電流變理論與磁偶極作用相結(jié)合，成功地解釋并指導(dǎo)了電磁場(chǎng)聯(lián)合控制下的介觀晶體場(chǎng)誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)相變實(shí)驗(yàn)�！静牧衔锢�；論文4】。

5. 發(fā)現(xiàn)了在外磁場(chǎng)控制情況下磁流變液聚集體的微觀基態(tài)結(jié)構(gòu)和介觀形態(tài)，發(fā)現(xiàn)磁流變液團(tuán)簇與電流變液的團(tuán)簇形態(tài)的本質(zhì)差別�？紤]磁偶極相互作用并區(qū)分磁性顆粒飽和及不飽和兩種情況，從理論上解釋了磁流變液基態(tài)結(jié)構(gòu)和聚集體團(tuán)簇形狀。【材料物理；論文5】

6. 發(fā)現(xiàn)具有涂層的顆粒對(duì)提高材料電流變效應(yīng)的特殊作用，證實(shí)了顆粒表面特性的關(guān)鍵作用【材料實(shí)驗(yàn)學(xué)；論文6】

7. 發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)作用下膠體顆粒系統(tǒng)的介電系數(shù)、電導(dǎo)率隨場(chǎng)強(qiáng)和頻率的變化規(guī)律；澄清了水在膠體系統(tǒng)中的作用；實(shí)時(shí)觀察到高場(chǎng)強(qiáng)下顆粒聚集體基態(tài)結(jié)構(gòu)、其演變過(guò)程及高場(chǎng)強(qiáng)下膠體系統(tǒng)的靜態(tài)屈服應(yīng)力, 確認(rèn)了膠體顆粒介電常數(shù)隨頻率變化遵從不良電介質(zhì)的德拜弛豫關(guān)系的規(guī)律�！静牧衔锢�；論文7－9】。

8. 采用磁流變過(guò)程控制并實(shí)時(shí)監(jiān)察膠體顆粒的結(jié)構(gòu)變化，在與磁場(chǎng)垂直的兩個(gè)方向上測(cè)量了顆粒介電常數(shù)，首次得到膠體體系的結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)介電常數(shù)各向異性非線性變化的完整數(shù)據(jù)，與理論計(jì)算結(jié)果定量符合�！静牧衔锢恚徽撐�10】

主要完成人：  1.   溫維佳

　設(shè)計(jì)、參加及完成了本研究項(xiàng)目的所有實(shí)驗(yàn)工作。協(xié)調(diào)與理論小組的研究工作。從1999年以來(lái)，主持了多項(xiàng)此項(xiàng)目的國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目、聯(lián)合項(xiàng)目及香港研究資助局的研究基金項(xiàng)目。

2.   沈平

領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目的理論工作，協(xié)調(diào)與實(shí)驗(yàn)小組的合作研究。完成了多項(xiàng)與本項(xiàng)目有關(guān)的香港研究資助局的科研基金。

3.   譚永炎

參加初期實(shí)驗(yàn)的工作

4.   陸坤權(quán)

參加了本項(xiàng)目中多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究工作。完成了多項(xiàng)相關(guān)的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目

5.   馬紅儒

電解質(zhì)電流變液第一性原理理論的建立和計(jì)算。

10篇代表性論文：  1.   "The giant electrorheological effect in suspension of nanoparticles", Nature Materials

2.   "Dielectric electrorheological fluids: theory and experiment", Advances in Physics

3.   "Planar Magnetic Colloidal Crystals", Phys. Rev. Lett.

4.   "Field induced structural transition in mesocrystallites", Phys. Rev. Lett.

5.   "Ground states of magnetorheological fluids", Phys. Rev. Lett.

6.   "New electrorheological fluid: theory and experiment", Phys. Rev. Lett.

7.   "Frequency dependent electrorheological properties: origin and bounds", Phys. Rev. Lett.

8.   "Frequency and water content dependencies of electrorheological properties", Phys. Rev. E

9.   "Frequency dependence of electrorheological fluids in an ac electric field, Phys. Rev. E

10.  "Magnetic materials-based electrorheological fluids", Appl. Phys. Lett