項目名稱：    電、磁場誘導下膠體系統結構和性質的研究

推薦單位：    香港特別行政區

項目簡介：    本項目是一項材料物理領域中膠體材料的實驗和理論研究成果，由香港科技大學為主聯合中國科學院物理研究所和上海交通大學有關研究人員通過十多年的緊密合作取得。本項成果在實驗、理論和材料樣品制備工藝三方面都有獨創性重大突破。

實驗方面:在外電場控制的膠體系統中系統地揭示了電場作用下膠體顆粒系統的介電系數、電導率隨場強和頻率的變化規律，澄清了水在膠體系統中的作用，實時觀察到高場強下顆粒聚集體基態結構及其演變過程。實時測量了具有不同表面涂層膠體顆粒對電場的響應時間以及高場強下膠體系統的靜態屈服應力。成功制備出具有性能穩定、響應時間短、剪切強度高的新型"巨電流變液"，實現了自電流變液效應發現以來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結構和介觀形態并觀察到磁性微球環的演變過程；首先觀察到磁性微球在電場和重力場聯合作用下的平面晶體結構演變和五重對稱準晶結構；首先觀察測量了在電場和磁場聯合作用下介觀晶體的類馬氏體結構相變等。這些新現象和新規律的發現，不僅具有重大科學意義，有的已顯示出誘人的應用前景。

理論方面: 獨立提出了從第一性原理出發、理論框架內可以全面包含影響電流變液性質的主要效應如多極相互作用、局域場、復介電常數虛部（電導率）貢獻、統一解釋電流變液性質、有預言能力的高場強介電電流變液理論。

樣品制作工藝和測量技術方面: 突破了長期以來從已有材料中被動選取所需實驗樣品的慣例，發展了從納米到微米尺度適應實際物理需要，有目的地自主制作各種不同性能涂層微球的獨創性技術。為了保證上述物理實驗的精確測量，獨立設計和安裝了多種專用測量儀器。

本項成果共在國際學術期刊發表論文40多篇，被他人引用550多次，其中10篇代表性論文他引數為300多次。獲得美國專利5項，國內專利2項。作為大會主席多次組織相關的國際及國內會議。多次被邀請作國際會議特邀報告。

主要發現點：  本項目對電磁場控制下膠體系統開展了全面的理論和實驗研究，發現了這類系統結構和性質的一系列新規律。主要發現為：

1. 成功制備出性能穩定、響應時間短的新型電流變液材料 巨電流變液，其剪切強度達到250kPa以上，遠超技術應用閾值(30kPa)，實現了自電流變液效應發現以來材料制作上的歷史性突破。提出表面極化飽和的模型理論，定量解釋了實驗發現的巨電流變效應。【材料物理；論文1】。

2. 獨立提出可全面包含影響電流變液性質主要效應的介電電流變液理論。導出了高場強下電流變液的顆粒基態位形，明確定義了電流變液的剪切模量和靜態屈服應力，預言了介電電流變液剪切模量和靜態屈服應力的上限，提出靜態屈服應力取極大的固體微球的最優結構，這些結論均為實驗所證實【材料物理；論文2】。

3. 突破了長期以來從已有材料中被動選取所需膠體顆粒樣品的限制，發展了根據實際需要制備從納米到微米尺度的不同性能涂層微球的獨創技術。利用此技術，首先觀察到磁性微球在電場和重力場聯合作用下的平面晶體結構演變和五重對稱準晶結構【材料的組織、結構、缺陷與性能科學；論文3】。

4. 在電、磁場聯合控制實驗中，發現了介觀晶體的類馬氏體結構相變，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合，成功地解釋并指導了電磁場聯合控制下的介觀晶體場誘導結構相變實驗。【材料物理；論文4】。

5. 發現了在外磁場控制情況下磁流變液聚集體的微觀基態結構和介觀形態，發現磁流變液團簇與電流變液的團簇形態的本質差別。考慮磁偶極相互作用并區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結構和聚集體團簇形狀。【材料物理；論文5】

6. 發現具有涂層的顆粒對提高材料電流變效應的特殊作用，證實了顆粒表面特性的關鍵作用【材料實驗學；論文6】

7. 發現電場作用下膠體顆粒系統的介電系數、電導率隨場強和頻率的變化規律；澄清了水在膠體系統中的作用；實時觀察到高場強下顆粒聚集體基態結構、其演變過程及高場強下膠體系統的靜態屈服應力, 確認了膠體顆粒介電常數隨頻率變化遵從不良電介質的德拜弛豫關系的規律。【材料物理；論文7－9】。

8. 采用磁流變過程控制并實時監察膠體顆粒的結構變化，在與磁場垂直的兩個方向上測量了顆粒介電常數，首次得到膠體體系的結構誘導介電常數各向異性非線性變化的完整數據，與理論計算結果定量符合。【材料物理；論文10】

主要完成人：  1.   溫維佳

　設計、參加及完成了本研究項目的所有實驗工作。協調與理論小組的研究工作。從1999年以來，主持了多項此項目的國家自然基金重點項目、聯合項目及香港研究資助局的研究基金項目。

2.   沈平

領導該項目的理論工作，協調與實驗小組的合作研究。完成了多項與本項目有關的香港研究資助局的科研基金。

3.   譚永炎

參加初期實驗的工作

4.   陸坤權

參加了本項目中多項實驗研究工作。完成了多項相關的國家自然科學基金項目

5.   馬紅儒

電解質電流變液第一性原理理論的建立和計算。

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