项目名称：    电、磁场诱导下胶体系统结构和性质的研究

推荐单位：    香港特别行政区

项目简介：    本项目是一项材料物理领域中胶体材料的实验和理论研究成果，由香港科技大学为主联合中国科学院物理研究所和上海交通大学有关研究人员通过十多年的紧密合作取得。本项成果在实验、理论和材料样品制备工艺三方面都有独创性重大突破。

实验方面:在外电场控制的胶体系统中系统地揭示了电场作用下胶体颗粒系统的介电系数、电导率随场强和频率的变化规律，澄清了水在胶体系统中的作用，实时观察到高场强下颗粒聚集体基态结构及其演变过程。实时测量了具有不同表面涂层胶体颗粒对电场的响应时间以及高场强下胶体系统的静态屈服应力。成功制备出具有性能稳定、响应时间短、剪切强度高的新型"巨电流变液"，实现了自电流变液效应发现以来电流变液材料制作上的历史性突破。研究了磁流变液聚集体的微观基态结构和介观形态并观察到磁性微球环的演变过程；首先观察到磁性微球在电场和重力场联合作用下的平面晶体结构演变和五重对称准晶结构；首先观察测量了在电场和磁场联合作用下介观晶体的类马氏体结构相变等。这些新现象和新规律的发现，不仅具有重大科学意义，有的已显示出诱人的应用前景。

理论方面: 独立提出了从第一性原理出发、理论框架内可以全面包含影响电流变液性质的主要效应如多极相互作用、局域场、复介电常数虚部（电导率）贡献、统一解释电流变液性质、有预言能力的高场强介电电流变液理论。

样品制作工艺和测量技术方面: 突破了长期以来从已有材料中被动选取所需实验样品的惯例，发展了从纳米到微米尺度适应实际物理需要，有目的地自主制作各种不同性能涂层微球的独创性技术。为了保证上述物理实验的精确测量，独立设计和安装了多种专用测量仪器。

本项成果共在国际学术期刊发表论文40多篇，被他人引用550多次，其中10篇代表性论文他引数为300多次。获得美国专利5项，国内专利2项。作为大会主席多次组织相关的国际及国内会议。多次被邀请作国际会议特邀报告。

主要发现点：  本项目对电磁场控制下胶体系统开展了全面的理论和实验研究，发现了这类系统结构和性质的一系列新规律。主要发现为：

1. 成功制备出性能稳定、响应时间短的新型电流变液材料 巨电流变液，其剪切强度达到250kPa以上，远超技术应用阈值(30kPa)，实现了自电流变液效应发现以来材料制作上的历史性突破。提出表面极化饱和的模型理论，定量解释了实验发现的巨电流变效应。【材料物理；论文1】。

2. 独立提出可全面包含影响电流变液性质主要效应的介电电流变液理论。导出了高场强下电流变液的颗粒基态位形，明确定义了电流变液的剪切模量和静态屈服应力，预言了介电电流变液剪切模量和静态屈服应力的上限，提出静态屈服应力取极大的固体微球的最优结构，这些结论均为实验所证实【材料物理；论文2】。

3. 突破了长期以来从已有材料中被动选取所需胶体颗粒样品的限制，发展了根据实际需要制备从纳米到微米尺度的不同性能涂层微球的独创技术。利用此技术，首先观察到磁性微球在电场和重力场联合作用下的平面晶体结构演变和五重对称准晶结构【材料的组织、结构、缺陷与性能科学；论文3】。

4. 在电、磁场联合控制实验中，发现了介观晶体的类马氏体结构相变，为制备微米/纳米尺度光子晶体提供了新途径。将介电电流变理论与磁偶极作用相结合，成功地解释并指导了电磁场联合控制下的介观晶体场诱导结构相变实验。【材料物理；论文4】。

5. 发现了在外磁场控制情况下磁流变液聚集体的微观基态结构和介观形态，发现磁流变液团簇与电流变液的团簇形态的本质差别。考虑磁偶极相互作用并区分磁性颗粒饱和及不饱和两种情况，从理论上解释了磁流变液基态结构和聚集体团簇形状。【材料物理；论文5】

6. 发现具有涂层的颗粒对提高材料电流变效应的特殊作用，证实了颗粒表面特性的关键作用【材料实验学；论文6】

7. 发现电场作用下胶体颗粒系统的介电系数、电导率随场强和频率的变化规律；澄清了水在胶体系统中的作用；实时观察到高场强下颗粒聚集体基态结构、其演变过程及高场强下胶体系统的静态屈服应力, 确认了胶体颗粒介电常数随频率变化遵从不良电介质的德拜弛豫关系的规律。【材料物理；论文7－9】。

8. 采用磁流变过程控制并实时监察胶体颗粒的结构变化，在与磁场垂直的两个方向上测量了颗粒介电常数，首次得到胶体体系的结构诱导介电常数各向异性非线性变化的完整数据，与理论计算结果定量符合。【材料物理；论文10】

主要完成人：  1.   温维佳

　设计、参加及完成了本研究项目的所有实验工作。协调与理论小组的研究工作。从1999年以来，主持了多项此项目的国家自然基金重点项目、联合项目及香港研究资助局的研究基金项目。

2.   沈平

领导该项目的理论工作，协调与实验小组的合作研究。完成了多项与本项目有关的香港研究资助局的科研基金。

3.   谭永炎

参加初期实验的工作

4.   陆坤权

参加了本项目中多项实验研究工作。完成了多项相关的国家自然科学基金项目

5.   马红儒

电解质电流变液第一性原理理论的建立和计算。

10篇代表性论文：  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