编者按
胶体玻璃作为一种软物质材料由于其独特的物理化学特性在非晶态物理的研究中有重要的应用。
《胶体在非晶研究中的应用》简要介绍了胶体玻璃与玻璃材料的联系，并通过具体的研究实例介绍了胶体玻璃在研究非晶结构、动力学以及热力学方面的应用, 对胶体玻璃未来的研究进行了展望。上述工作的通信作者为中国科学院物理研究所陈科研究员。
01引言
非晶中的基本物理问题大致可以分为三类：包括非晶的微观结构、动力学以及热力学问题，其中最根本的问题是非晶的微观结构。
非晶中最令人惊讶的实验现象为“玻璃化转变(glass transition)”现象。当液体的温度下降到玻璃化转变温度Tg附近时，液体的黏度在很小的温度范围内会发生超过十个数量级的变化。
胶体(colloids)一般是指固体颗粒和连续介质的混合物，其中固体颗粒的尺寸在10nm—10µm之间。
胶体粒子有和原子及分子的运动十分相似的非常显著的热运动，胶体粒子间有较强的范德瓦耳斯吸引力。由于胶体溶液的这两个特点, 很早就有人开始利用胶体体系作为模型系统来研究凝聚态物理中的一些基本问题。
胶体玻璃的主要研究手段
笔者对光学显微技术和激光散射技术进行了简单介绍。
微米大小的胶体粒子可以使用现代光学显微镜进行观察。现代光学显微镜加上数字摄像机能够快速准确地记录胶体粒子运动的图像, 实现对胶体玻璃结构和运动的实时观测。
（2）激光散射
光学显微技术能够直接观察胶体玻璃中粒子的运动，然而光学显微镜受视场大小的影响，一般只能同时观察几千到几万个粒子的运动。而且时间分辨率还受摄像设备采集速率的影响，难以捕捉到快速的动力学过程。这种情况下可以使用动态光散射(dynamic light scatter-ing)来研究。除了动态光散射以外, 静态光散射可以用于测量胶体玻璃的结构。
02胶体玻璃在非晶结构研究中的应用
对于一个阻塞(类固)的无序体系，通过升高温度、施加剪切应力或者减小体系的堆积比都能达到去阻塞(unjamming)的效果，使体系呈现出类液的特性。在这个框架下，可以得到一个阻塞相变的相图。
为研究在非零温状态下阻塞相变的结构特征，Zhang等利用温敏性的胶体粒子在准二维情况下测量了胶体玻璃中的对关联函数随着堆积比的演化。
非晶中的结构关联长度
Nagamanasa等利用多个光镊固定住胶体玻璃中部分胶体粒子，在二维胶体玻璃中形成一面“墙”。然后测量“墙”附近的胶体粒子运动受到的影响，发现当样品的堆积比较低时，只有非常接近这面墙的粒子的运动会受明显影响，而当样品的堆积比增加时，墙对粒子运动影响的范围明显增加，这表明与墙的结构相关的团簇的尺寸越来越大。
胶体玻璃中的结构缺陷
Yang等研究了胶体玻璃中的局域形变，并分析了这些形变区域的结构，发现胶体玻璃中缺陷区域的结构相关性明显低于背景的结构相关性。
03胶体玻璃在非晶动力学中的应用
玻璃化转变中动力学急剧变慢的基本机制是非晶物理中的一个核心问题。人们在研究玻璃化转变的过程中发现, 在降温过程中过冷液体的黏度或弛豫时间随温度的变化规律并不总是一样的。
不同材料的玻璃化转变曲线
上图显示的是不同硬度的胶体粒子的玻璃化转变曲线，堆积比在一定程度上对应于原子分子玻璃中温度的倒数1/T。实验结果清晰地表明不同硬度的胶体球有不同的玻璃化转变规律。
非晶中的动力学不均匀性
除了在玻璃化转变过程中的急剧动力学变慢以外，有关玻璃动力学的另一大问题是过冷液体和玻璃中的动力学不均匀性。
Weeks等测量了体系中运动较快的粒子的分布，发现在玻璃化转变过程中体系中运动较快的粒子确实在空间上形成团簇，从而首次从实验上证实了协同重排的图像。
(c) 胶体玻璃中粒子的运动轨迹
胶体玻璃的老化
玻璃在形成之后内部还在不断发生结构的弛豫，玻璃的宏观性质也随着时间在演化，这一过程称为玻璃的老化。
Yunker等试图了解玻璃中的局域结构变化和老化过程有什么关联。从系统的均方位移(MSD)的测量发现，老化初期体系的动力学变化最剧烈，随着老化时间的增加MSD的变化也变得越来越慢，微观上表现为体系中的局域重排的发生频率不断下降。
04胶体玻璃在非晶热力学中的应用
利用胶体玻璃研究非晶热力学性质的一条途径是研究胶体玻璃中的振动模式。为了消除来自溶液阻尼的影响，Chen等发展了位移协变矩阵分析(displacement covariance matrix analysis)方法，用于分析胶体体系的振动模式。
Chen等的研究首次在胶体玻璃中观察到了振动态密度的玻色峰, 并且发现玻色峰的强度随着堆积比的升高而逐渐减小, 同时玻色峰的频率也逐渐向高频移动, 这和玻璃材料在加压条件下的振动态密度的变化趋势一致。
胶体玻璃的弹性模量
宏观上材料的波速取决于材料的弹性模量，因此通过测量体系的色散关系能够推出材料的弹性模量。然而在非晶中，由于结构没有周期性，因此所得到的振动本征矢量在空间上也是无序的，缺乏明显的空间周期性，同时由于频率的展宽，实际测得的本征矢量往往是多个振动模式的叠加。
为解决上述问题，Still等利用谱函数的方法对胶体玻璃中的振动模式进行了分析，测得准二维胶体玻璃的弹性模量随着体系堆积比的演化。
05胶体在非晶研究中的展望
随着实验技术的不断发展，胶体玻璃有望在非晶研究中发挥更重要的作用，其中几个方向值得研究者注意。
1) 胶体玻璃中相互作用的精细调控；2) 高速高通量的观测技术；
3) 胶体玻璃的主动操控技术。
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