中文摘要：

纳米胶体溶液蒸发自组装是制备胶体晶体、软曝光模板、光学带隙材料等的重要方法。然而，裂纹在这些材料中的产生严重限制了该方法的应用。如何控制或者利用这种蒸发裂纹不仅仅具有重要的技术价值，同时在纳米尺度下的自组装动力学机制、裂纹斑图规律等重要物理问题的理解上具有较深远的科学意义。目前，基于Griffith的断裂力学模型仅对纳米颗粒蒸发自组装中裂纹的形成并扩展做出解释，但难以解释众多裂纹的空间周期性分布以及所构成的裂纹斑图。我们将研究实验中初步观察到的车辐状、圆形、螺旋以及网状结构的裂纹斑图，定量地确立裂纹斑图对各物理参数的实验依赖规律。探索新的理解这些裂纹斑图的理论方法，从溶液浓度波动、非平衡态热力学和统计方法出发，分析斑图空间周期性，以及斑图动力学性质和物理标度律。

结论摘要：

本项目旨在研究胶体蒸发过程中所产生的缺陷、裂纹及自组装动力学机制。在项目执行期三年的实验和理论工作，对裂纹斑图的实验物理规律及理论机制有了新的认识与发现，对裂纹的形成机制与调控提出了可行的方案，并发表了系列新的成果。首先在实验上确立了胶体蒸发裂纹对基底的依赖性，发现了一种新的圆环形裂纹，提出了缺陷预埋模型，解释了这种非常规弯曲裂纹形成条件与物理机理，成果发表于“J. Phys. Chem. B 116, 6225，2012”。在该研究基础上通过系统的实验，定量地给出一种周期性平行裂纹对浓度和初始条件实验规律，并构建了一个新理论模型，揭示了这种空间周期性斑图对胶体溶液浓度波动与相分离动力学的定量关系，确立斑图空间周期对物理参量如浓度、厚度、尺寸等依赖关系及标度律，该成果发表于“Phys. Rev. E 86，061406，2012”。在此基础上我们提出了一种抑制裂纹的方案，通过引入高分子链调控胶体-高分子相分离过程控制裂纹，通过系列实验，确定了高分子与胶体浓度对裂纹产生的相图，对实际应用提供了重要参考，该结果发表于Phys. Lett. A 378, 1191, 2014。然而以上的理解都是通过宏观的相分离机制讨论裂纹形成的早期对胶体颗粒的相互作用依赖性，这启发了我们思考蒸发时胶体扩散是一个更为基本的过程，于是设计了一个巧妙的实验，研究大量粒子的扩散及布朗运动，考察扩散系数的时间演化，结果令人惊讶的发现，二维空间限域效应使得粒子的扩散减慢，我们提出了粒子碰撞耦合的物理模型，解析地求解了粒子运动位移、速度对系统弛豫时间的依赖性，该结果发表于New Journal of Physics 16, 073025, 2014，受到同行很大反响。通过该项目的执行，我们发现了胶体蒸发对环境、基底的浸润性等物理化学条件的影响，同时发现了一些材料浸润性方面的特殊性，也发表了系列结果。总结来说，从项目立项以来，在胶体蒸发、裂纹形成机制、及蒸发自组装开创了一条独特的实验和理论方法，尤其建立了蒸发裂纹的相分离物理机制，沿着这条线索，可以在今后的一段时间里，继续探索出胶体蒸发的凝胶、结晶等动力学过程，并构建出蒸发自组装的工业应用体系，尤其在喷雾液滴法制备药物粒子，复杂流体及多组分液体的喷涂与3D打印过程中的精细蒸发导致的浓度参数对物理相变过程的研究提供了非常好的积累。