扩散模型和凝聚模型耦合作用下胶体凝聚动力学的Monte Carlo模拟研究

以扩散模型(Ds(γ)=D0×sγ)和凝聚模型(Pij(σ)=P0×(i×j)σ)为基础,对胶体体系随时间的演变、团簇大小分布及其标度关系、团簇的重均大小S(t)的变化规律以及模型对最终分形维数的影响四个角度进行了比较研究,发现扩散指数γ0和凝聚概率指数σ0对胶体的凝聚动力学过程有相似的影响.本文在较宽的γ和σ取值范围内,对胶体的凝聚动力学进行了模拟研究,对慢速凝聚向快速凝聚的转化机理作了定量分析,并进一步分析了在团簇-团簇凝聚(CCA)模型下,得到类似扩散置限凝聚(DLA)模型的凝聚体的物理意义,结果表明:(1)γ0代表了体系中团簇或单粒做"定向运动"而非无规则的布朗运动的情况.这种"定向运动"的推动力可能来自于大团簇产生的强"长程范德华力"、"电场力"等,或来自于体系边界处的外力场的作用.(2)当σ0时,体系成为先快后慢的慢速凝聚,这可能对应大团簇为一排斥中心,即胶体颗粒存在"排斥力场"的现象.(3)证实了团簇的重均大小在凝聚过程的早期按指数规律增长,而后期按幂函数规律增长的实验现象.模拟研究还表明,胶体体系的凝聚动力学过程,在σ0时是一个存在正反馈机制的非线性动力学过程,而在σ0时则体现出负反馈的特征.     

不同电解质体系中土壤胶体凝聚动力学的动态光散射研究

利用动态光散射技术研究在不同浓度的KNO3和Mg(NO3)2中土壤胶体颗粒的凝聚过程动力学. 通过分析凝聚过程中光强和有效粒径随时间的变化得到: (1)根据凝聚过程中光强的稳定与否, 可以判断土壤胶体凝聚过程中碰撞的发生是由布朗运动支配还是由重力作用支配; (2)在不同的电解质体系下土壤胶体凝聚表现为快速凝聚特征或不同的慢速凝聚特征, 并且在慢速凝聚中存在一个对重力敏感的电解质浓度; (3)两种电解质作用下的土壤胶体凝聚特征相似, 但对Mg(NO3)2体系浓度变化的敏感性远远大于KNO3体系. 此外, 通过分析凝聚平均速率随电解质浓度的变化, 找到慢速凝聚与快速凝聚的电解质浓度转折点, 即临界絮凝浓度(CFC), 提供了一个实验测定CFC的可能方法.     

重力场和电解质浓度对胶体凝聚体分形结构的影响

运用李航等提出的新方法, 克服了DLVO理论中无法理论计算不同电解质浓度下颗粒的表面电位这一困难, 从而可以直接计算出不同电解质浓度下胶体颗粒间的位能. 同时, 还运用胶体颗粒动能的玻耳兹曼分布原理和蒙特卡罗方法来模拟胶体的运动, 并采用非弹性碰撞理论解决了碰撞后凝聚的有效概率问题. 在改进DDA模型的基础上, 成功地建立了以往的模拟中未能建立的重力场中电解质浓度与碰撞凝聚概率间的联系, 结果发现, (1)重力场作用下的凝聚体分形维数随电解质浓度变化的曲线完全不同于无重力条件下的曲线. 无重力作用下, 凝聚结构体分形维数随电解质浓度的变化比较缓慢, 曲线呈“L”形；而重力作用下的分形维数则呈明显的“S”形曲线. (2) 在重力条件下, 慢凝聚包括两个区域, 对电解质浓度不敏感区域和敏感区域. 在敏感区域存在一个电解质浓度的拐点. (3)无重力条件下,不同大小的胶体颗粒在快凝聚时的分形维数都是在1.86±0.01.当电解质浓度降低,凝聚速率变慢,分形维数增加,最大达到2.01±0.02,但不会形成重力条件下的分形维数接近3的结构体.     

长程范德华力导向作用下胶体凝聚的计算机模拟

采用计算机模拟方法研究了长程范德华力在胶体凝聚过程中的作用, 发现由于胶粒间的范德华力是长程力, 它对胶粒或团簇运动将产生导向作用. 与不考虑导向作用的扩散控制团簇凝聚(DLCA)模型比较, 这种导向作用不仅加速了胶体的凝聚过程, 而且形成了更致密、分形维数更大的结构体. 研究还发现, 长程范德华力导向作用对胶粒的初始浓度非常敏感, 不论是在凝聚物的结构还是凝聚速率方面, 只有在胶粒初始浓度较低时, 该导向作用效应才明显. 其可能的原因是,在胶粒初始浓度较高时, 由于胶粒布朗运动的平均自由程很短而且位阻效应大, 从而使导向作用效应未能反映出来.