Correlating microscopic viscoelasticity and structure of an aging colloidal gel using active microrheology and cryogenic scanning electron microscopy
光镊（Optical Tweezers，OTs）可以探测作用在介质中的胶体粒子上的皮牛顿力，并已成功地用于研究具有内部结构的复杂系统。随着颗粒之间的静电相互作用在物理老化过程中逐渐演变，水性介质中的锂皂石粘土颗粒随时间自组装以形成微观网络。我们调查的强制运动的光学捕获的微米大小的胶体探针颗粒，悬浮在老化的锂皂石悬浮液，作为基础的锂皂石微观结构逐渐发展。我们基于OT的振荡活性微观流变学实验使我们能够研究浓度范围为2.5%w/v至3.0%w/v的老化含水粘土悬浮液中不断变化的微观结构的机械响应，并在90分钟至150分钟之间的几个老化时间。我们重复这样的振荡测量的范围内的胶体探针粒径和调查的老化悬浮液的微观流变学的探针尺寸的影响。使用低温场发射扫描电子显微镜（cryo-FESEM），我们检查的平均孔隙面积的Laponite悬浮液微观结构的各种样品浓度和老化时间。通过结合我们的OT和低温FESEM数据，我们在这里报告的第一次，尽我们所知，交叉模量和平均孔径的老化悬浮液微结构的不同悬浮液浓度和探针粒径在这里研究的负相关性。
2023-03-13 cond-mat.soft
Dynamics of Colloidal Cubes and Cuboids in Cylindrical Nanopores
了解胶体悬浮体在受限环境中的行为在实际应用中具有显著的相关性。尽管胶体在本体中的行为是确定影响其平衡和动力学的主要因素的关键，但只有通过研究其在限制下的反应，才能考虑在配方技术中使用胶体。特别地，将各向异性颗粒的流体限制在纳米孔中提供了控制它们的相行为并稳定不能在本体中形成的形态谱的机会。通过适当地选择孔几何形状、颗粒结构和系统填充，可以针对特定应用调整热力学、结构和动力学性质。在目前的贡献，我们报告的巨正则和动态蒙特卡罗模拟的胶体立方体和长方体限制到不同尺寸的圆柱形纳米孔的悬浮液。我们首先研究了它们的相行为，计算了化学势-密度状态方程，讨论了孔壁对颗粒锚定和分层的影响。特别是，在足够大的浓度下，我们观察到形成的同心向列状冠状的扁圆或扁长的颗粒周围的各向同性的核心，其功能类似于那些通常检测到的散装。然后，我们分析了它们的动力学的主要特征，并发现这些特征是由颗粒在纳米孔的纵向和径向方向上扩散的能力显著决定的。
2021-08-22 cond-mat.soft
Controlling Porosity in Supraparticles Composed of Colloidal Rods and Spheres
Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.（德累斯顿莱布尼茨聚合物研究所）；Technische Universität Dresden（德累斯顿工业大学）；Auburn University（奥本大学）
通过模拟研究棒状和球形胶体颗粒在液滴干燥过程中组装成超颗粒，选择性移除一种颗粒后形成多孔结构，发现剩余颗粒形成连通网络，孔隙率受颗粒尺寸和形状影响。
2026-06-16 cond-mat.soft
Interactions and design rules for assembly of porous colloidal mesophases
多孔中间相，其中在富含颗粒的背景流体内存在明确限定的颗粒耗尽的“空隙”空间，可以由胶体颗粒通过具有竞争吸引力和排斥力的各向同性对相互作用而自组装。虽然这样的结构对于技术应用（例如，过滤、催化、吸收等），相对较少的研究已经调查了导致这些形态的相互作用以及它们如何与产生其它微相分离结构（例如团簇）的相互作用进行比较。在这项工作中，我们使用统计力学的逆方法来设计模型各向同性对势，形成多孔中间相。我们表征所得的多孔结构，与目标孔径和颗粒堆积分数的对电位的相关特征。前者主要由设计的对势的排斥势垒的幅度和范围编码，后者由吸引阱深度编码。我们观察到一个权衡相对于目标形态的填充分数：更大的值支持更多的球形和单分散的孔，其本身组织成周期性结构，而较低的值产生更多的移动孔，不组装成有序的结构，但保持稳定的填充分数在更大的范围内。最后，我们通过评论在本逆设计方法中针对特定孔径的局限性以及通过描述克服这些局限性的未来方向来得出结论。
2017-01-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Speed-dependent ice bandings in freezing colloidal suspensions
冻融过程中速度相关冰带的形成机理是冻融过程中的一个重要问题，对冻融过程和材料科学具有重要意义。通过定量实验，我们提出了一个可能的机制，速度依赖的冰带，通过集中的颗粒堆积密度和动态界面过冷度。冻结界面前的颗粒堆积密度随着牵引速度的增加而减小，这归因于颗粒的速度依赖性堆积。通过影响孔隙冰的曲率过冷度，粒子的速度依赖性堆积可以用来解释速度依赖性的冰带厚度。得到了动态界面过冷度，并给出了瞬态界面位置、速度和过冷度的定量细节。所有的证据表明，速度相关的颗粒包装和动态界面过冷度是负责速度相关的冰带。
2017-12-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Short-range and long-range correlations in driven dense colloidal mixtures in narrow pores
本文推广ASEP模型研究窄孔中驱动稠密胶体混合物，发现Kirkwood近似能准确预测短程关联但无法预测长程代数衰减，且该系统属于不同于零程过程的新普适类。
2025-08-13 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
The Raspberry model for protein-like particles: ellipsoids and confinement in cylindrical pores
通过原子模拟研究蛋白质的质量传输需要超出现代计算机系统的计算能力的时间和长度尺度。胶体粒子的树莓模型结合介观流体动力学方法的格子玻尔兹曼有利于粗粒度的模拟，是在微秒和数百纳米的数量级的蛋白质样胶体粒子的扩散运输的研究。乌藨子模型再现线性运动阻力与颗粒大小和正确的增强阻力圆柱形孔内偏心坐标的球形颗粒。由于许多蛋白质的高纵横比，椭圆形的树莓胶体颗粒的构建和复制的几何阻力因子的Perrin和Happel和Brenner在实验室框架和移动的身体框架。准确的身体框架旋转扩散运动期间已被捕获的第一次使用位移的投影。
2016-08-03 cond-mat.soft
Detectable inertial effects on Brownian transport through narrow pores
本文研究了有限阻尼下悬浮布朗粒子沿波纹窄通道的输运。我们证明，惯性校正不能被忽略，只要通道瓶颈的宽度小于适当的粒子扩散长度，这取决于两个，温度和强度的直流驱动器。因此，通过足够窄的收缩部的输送对悬浮液的粘度敏感。胶体系统的应用进行了讨论。
2012-05-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Shear-induced laning transition in a confined colloidal film
使用布朗动力学（BD）模拟，我们研究了一个密集的带电胶体系统暴露于剪切流在一个封闭的（缝孔）的几何形状。在零流量的平衡系统由三个，明显的层与方形晶体平面内结构。我们证明，足够大的剪切速率，中间层分离成两个子层的颗粒组织成移动车道与相反的速度。这种微巷道状态的形成导致所施加的剪切轮廓的破坏。它不仅对系统的结构有很强的影响，而且对通过应力张量测量的流变性也有很强的影响。在较高的剪切速率下，我们观察到一个无序的状态，最后再结晶的双层膜的行为让人想起。我们期望剪切诱导的拉向是具有三层或更多层的薄膜的一般特征。
2017-01-19 cond-mat.soft
Stochastic thermodynamics of a confined colloidal suspension under shear flow
基于布朗动力学模拟，我们研究了剪切流作用下受限胶体悬浮体系非平衡定态的热力学特征。具体来说，我们考虑一个薄膜组成的带电粒子在窄缝孔限制，形成两个层的二次面内结构的平衡。这个多体系统显示出三种不同的稳态，其特征在于独特的动力学和流变学响应所施加的剪切流。计算功和热，我们发现这两个量通过它们的平均值和分布来表示不同的状态。一个特别有趣的情况发生在大的剪切速率，其中颗粒执行集体之字形运动。在这里，我们发现一个双稳态的粒子运动的相位同步的程度。事实证明，这种双稳态是理解整体平均功分布的关键。对于所有的状态，我们比较的工作和热分布的有效的单粒子系统。通过这一点，我们的目标是识别随机热力学量的多体特征。
2018-09-06 cond-mat.soft
Single-file escape of colloidal particles from microfluidic channels
单行扩散是一种普遍存在的物理过程，被生命和合成系统利用来与其环境交换分子。最重要的是量化单个粒子文件退出约束合成通道和生物孔所需的逃逸时间。这个数量取决于复杂的合作效应，其优势只能通过理论和实验之间的严格比较来确定。通过使用胶体粒子，光学操纵，微流体，数字显微镜和理论分析，我们发现的逃逸过程的自相似特性，并提供了封闭式的逃逸时间的评估。我们发现，逃逸时间的尺度与最后一个粒子离开通道的扩散系数成反比。重要的是，我们发现，在调查{ \bf微尺度}，偏置力作为微小的$10^{-15}\;{\rm N}$确定逃逸时间的大小，大大减少粒子间的碰撞。我们的研究结果提供了重要的指导方针，以优化设计的微型和纳米器件的各种应用，包括药物输送，颗粒过滤和运输的几何收缩。
2016-07-21 cond-mat.soft
Using colloidal deposition to mobilize immiscible fluids from porous media
胶体颗粒有望从多孔介质中动员和去除捕获的不混溶流体，并对关键的能源和水应用产生影响。大多数研究集中于使用可以定位在不混溶流体界面处的颗粒来实现这一目标。因此，研究人员通常寻求优化颗粒的表面活性，以及它们自由移动通过孔隙空间的能力，同时最小限度地沉积到周围的固体基质上。在这里，我们证明，沉积可以，令人惊讶的是，促进动员被困流体从多孔介质，而不需要任何表面活性。使用共聚焦显微镜，我们直接可视化的胶体颗粒和捕获的不混溶流体在一个透明的，三维（3D）多孔介质。我们发现，作为非表面活性颗粒沉积在固体基质上，越来越多的被困流体变得动员。通过分析沉积的程度以及被困液滴的几何形状，我们解开了基本的物理学，在孔隙尺度上：沉积增加了被困液滴上的粘性应力，克服了使它们被困的毛细作用的影响。给定捕获流体的初始分布，这种分析使我们能够预测通过胶体沉积动员的流体的程度。总之，我们的工作揭示了一种新的方式，可以利用胶体动员被困流体从多孔介质。
2020-12-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Flow induced intermittent transport shapes colloid filtration in complex media
本文通过多尺度微流控实验追踪胶体颗粒在可控异质性多孔介质中的运动，发现颗粒呈长程飞行与短程俯冲交替的间歇性输运，并结合CTRW随机模型揭示了孔隙结构如何导致非指数沉积等异常过滤行为。
2025-05-05 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Diffusiophoresis and medium structure control macroscopic particle transport in porous media
在这封信中，我们表明，沿局部盐梯度的胶体颗粒的孔隙尺度的扩散电泳表现在多孔介质中的颗粒的宏观分散。尽管是短暂的性质，这种微观现象控制大规模的颗粒传输之间的传输和死端孔改变他们的分区。它决定了介质中的停留时间和到达时间的分布。根据扩散电泳的流动性，颗粒可以从死端孔中移动或捕获在死端孔中，这为多孔介质中的颗粒的受控操纵提供了一种手段。
2023-03-15 cond-mat.soft physics.flu-dyn
What are the microscopic events of colloidal membrane fouling?
由于表面吸附和流体动力学相互作用之间的复杂相互作用，胶体膜污染的代表性微观机制仍然没有得到很好的理解。数值模拟克服了实验的局限性，如胶体膜污染过程中微观事件的时间和空间分辨率：它们有助于更深入地了解污染过程。本研究采用耦合计算流体动力学-离散元方法（CFD-DEM）模拟研究胶体污染的机制，在微流体结构模仿多孔微滤膜。我们特别注意颗粒如何克服能量障碍，导致彼此之间以及与外部和内部膜表面的吸附和解吸。粒子间的相互作用导致从二次到一次最小的DLVO电位的过渡。被吸附的颗粒可以显示出再夹带或者它们可以向下游滑动。由于颗粒主要以簇的形式重新悬浮，因此内部孔隙的几何形状显著地影响污垢行为。研究结果允许胶体过滤过程中的微观污染事件的基本了解。该方法使未来的系统研究的相互作用的流体动力学条件和表面能的贡献所代表的潜在的软和片状胶体。
2018-03-21 cond-mat.soft physics.comp-ph
Active doping controls the mode of failure in dense colloidal gels
本文通过模拟表明，在深度退火多分散胶体凝胶中嵌入主动粒子，其游泳力可在临界值处引发脆性—延性失效模式转变，并改变孔隙、吸引力分布与动力学非均匀性。
2024-11-25 cond-mat.soft
Structure, thermodynamic properties, and phase diagrams of few colloids confined in a spherical pore
在正则系综下，采用事件驱动的分子动力学模拟，研究了一个封闭在小球腔中的少量胶体体系。胶体粒子通过短程方阱势相互作用，该势考虑了胶体间相互作用的基本要素吸引和排斥体积排斥。在非均匀流体理论的框架下，我们分析了这个少体封闭系统的结构和热力学性质。对关联函数和密度分布的空腔被用来确定系统的结构和空间特性的不均匀性。还分析了壁面压力、内能和表面量（如表面张力和吸附）在整个密度、温度和颗粒数范围内的变化。我们的特点是系统的结构从2到6个禁闭粒子作为密度和温度的函数，确定了独特的定性行为遍布热力学平面$T-ρ$在几个粒子等价的宏观系统的相图。应用扩展的对应态定律，将方阱相互作用映射到Asakura-Oosawa模型。我们明确地链接的温度在封闭的方井流体中的聚合物在Asakura-Oosawa模型的等效包装分数。使用这种方法，我们研究了有限的系统中的几个胶体的胶体-聚合物混合物。
2015-04-09 cond-mat.soft
Non-equilibrium dynamics of a confined colloidal bilayer in planar shear flow
利用布朗动力学（BD）模拟，我们研究了剪切流对受限于狭缝孔中的带电胶体系统的结构和动力学性质的影响。我们的模型包括球形微离子通过Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）和软球势相互作用。DLVO参数根据在低离子强度的溶剂中的中等带电的二氧化硅颗粒（具有化合价Z $\sim$ 35）的系统来选择。在所考虑的限制条件下，胶体形成两个明显的层。在本研究中，我们调查剪切诱导的过渡层中的平移顺序和动力学，包括平移扩散的讨论。特别是，我们表明，在剪切熔化状态下的扩散可以描述一个分析模型，涉及一个单一的剪切驱动粒子在谐波陷阱。我们还探讨了锯齿形运动的出现，其特征在于在涡度方向的层中的粒子的时空振荡。最近在厚得多的胶体膜的实验中也观察到了类似的行为。
2013-05-31 cond-mat.soft physics.comp-ph
Multiscale dynamics of colloidal deposition and erosion in porous media
各种进程-例如，环境污染、地下水修复、石油回收、过滤和药物输送--涉及多孔介质中胶体颗粒的输送。使用共聚焦显微镜，我们直接可视化这一过程在原位，从而确定粒子分布在整个介质的基本机制。在高注射压力下，流体动力应力导致颗粒不断沉积在固体基质上并从固体基质中侵蚀出来-特别是，迫使它们分布在整个介质中。相比之下，在低喷射压力下，侵蚀的相对影响被抑制，导致颗粒定位在介质的入口附近。出乎意料的是，这些宏观分布行为取决于施加的压力，以类似的方式为不同的电荷的颗粒，虽然沉积的孔隙尺度分布是敏感的粒子电荷。这些结果揭示了流体、颗粒和固体基质之间的多尺度相互作用如何控制胶体在多孔介质中的分布。
2021-03-21 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Filamentous phages as building blocks for reconfigurable and hierarchical self-assembly
丝状噬菌体如fd样病毒是单分散的棒状胶体，具有明确的性质：直径，长度，刚性，电荷和手性。对这些病毒进行工程改造后，形成了一个胶体棒库，可用作可重构和分层自组装的构建模块。它们在水溶液中的缩合作用{与添加剂聚合物，其作为驱逐剂诱导}杆之间的吸引力导致无数的流体状微观结构，从各向同性/微滴、胶体膜、非手性膜种子、扭曲带、$π$ -壁、孔、胶体skyrmions、莫比乌斯锚、扇贝膜到膜筏。这些结构和它们形状变化的方式不仅揭示了熵、手征挫折和拓扑在软物质中的作用，而且还模拟了不同科学领域中遇到的许多结构。一方面，丝状体作为胶体硬棒的实验实现，它们通过耗尽相互作用介导的凝聚构成了棒状颗粒自组装的蓝图，并为面向生物或材料的应用提供了基础。另一方面，病毒的手性性质限制了某些结果的普遍性，但大大拓宽了自组装的可能性。
2017-11-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Design of patchy rhombi: from close-packed tilings to open lattices
在功能材料领域，具有可调孔隙率的二维结构的生产对于许多实际应用是至关重要的：具有规则孔阵列的表面可用于选择性吸附或固定在形状和/或尺寸上与孔互补的客体单元，从而实现例如选择性过滤或对外部刺激的明确响应。控制这种结构形成的原理在分子和胶体尺度上都是有效的。在这里，我们提供了简单的设计方向，结合建筑单位的各向异性形状-无论是分子或胶体-和选择性定向键合。使用广泛的计算机模拟，我们表明，经常菱形血小板装饰有吸引力和排斥力的相互作用网站导致特定的平铺，顺利地从密堆积的安排开放的晶格。所观察到的丰富的平铺场景背后的理由可以描述在空间不相容性，不满意的键合几何形状和本地和长程序之间的相互作用。
2019-07-03 cond-mat.soft physics.comp-ph
Molecular and colloidal transport in bacterial cellulose hydrogels
细菌纤维素生物膜是由强交织的纳米纤维组成的复杂网络，其控制膜中的运输并保护细菌菌落。细菌纤维素膜的各种应用的设计也依赖于理解和控制通过纤维网的传输，并且当由结构的实验表征和所得的内部扩散指导时，膜的传输模拟是最准确的。通过这种薄膜的扩散是其关键微观结构长度尺度的函数，决定了分子以及颗粒和微生物如何渗透它们。我们使用显微镜来研究独特的细菌纤维素膜结构，并量化各种尺寸的示踪剂颗粒和大分子的流动动力学。流动性受阻的膜内，限制和局部运动强烈依赖于相对于扩散示踪剂的空隙尺寸。生物膜具有交替的致密和多孔的网状层的自然周期性结构，并且我们通过发酵条件调整间距的大小。纳米颗粒可以通过多孔层扩散，但不能穿透致密层。示踪剂在多孔层中的迁移率是各向同性的，这表明那里的孔隙结构很大程度上是随机的。通过整个膜的分子扩散仅略微减少的结构曲折。细菌纤维素网络内的运输变化的知识可用于指导这些结构中的共生培养物的设计，并增强它们在生物医学植入物、伤口敷料、实验室生长的肉和传感器中的应用。
2022-06-08 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Characterization of Void Space, Large-Scale Structure, and Transport Properties of Maximally Random Jammed Packings of Superballs
颗粒的致密无序堆积是物质、生物系统、粒状介质和胶体系统的低温无定形相的有用模型。非球形颗粒的密堆积的研究使人们能够确定旋转自由度如何影响堆积行为。在这里，我们研究超级球，一个大家庭的变形的领域，定义在三维空间的$|x_1|^{2p}+|x_2|^{2p}+|x_3|^{2p}\leq1$，其中$p>0$是一个变形参数，表示到什么程度的形状偏离一个领域。随着$p$从球点（$p=1$）增加，超级球达到立方对称，当$p<1$。超级球填料的先前表征已经表明，它们具有最大随机堵塞（MRJ）状态，其性质（例如，填充分数$ϕ$）随着$p$偏离1而非解析地变化。在这里，我们使用事件驱动的分子动力学算法产生MRJ超级球包装。我们通过研究它们的结构因子和谱密度的小$Q$行为来表征它们的大尺度结构，这表明这些填充是有效的超均匀的。我们表明，平均宽度$\bar{w}$是一个有用的长度尺度，使距离无量纲，以系统地比较不同形状的超级球。我们还计算了互补的累积孔径分布$F(δ)$，发现孔径随着$|1-p|$的增加而减小。从$F(δ)$，我们估计的流体渗透性，平均存活时间，和主要的扩散松弛时间的填料。此外，我们计算了扩散的可展性，发现长时间的幂律标度表明这些填充是超均匀的。我们的研究结果可以用来帮助通知颗粒材料的设计与目标密度和运输性能。
2022-05-06 cond-mat.soft
Stochastic Generation of Particle Structures with Controlled Degree of Heterogeneity
最近开发的空隙膨胀法（VEM）允许在很宽的体积分数范围内的球形颗粒的多孔填料的有效生成。该方法是基于一个随机放置的结构颗粒下添加的小得多的“空隙颗粒”，其半径在空隙膨胀过程中反复增加。因此，它们重新排列结构颗粒，直到形成致密的颗粒堆积，并在结构中引入局部不均匀性。在本文中，VEM产生的体积分数为0.4和0.6之间的微观结构进行了分析，就其程度的非均匀性（DOH）。特别是，空隙结构颗粒的数量比，这构成了一个主要的VEM参数，对DOH的影响进行了研究。使用孔径分布、Voronoi体积分布和密度波动方法结合拟合函数或积分测量来量化DOH。该分析表明，对于体积分数在0.4和0.55之间的空隙-颗粒数允许DOH的准连续调节。此外，VEM生成的微结构的体积分数为0.4的DOH范围进行比较，所覆盖的范围由使用以前的布朗动力学模拟，这代表了凝固的胶体悬浮液的结构生成的微结构。这两组微结构覆盖了类似的宽和重叠的DOH范围，这使得可以得出结论，VEM是一种有效的方法来随机再现具有不同DOH的胶体微结构。
2010-07-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Self-assembled porous media from particle-stabilized emulsions
本文提出通过固化粒子稳定乳液来构建自组装多孔介质，并利用模拟证明仅调节粒子润湿性或浓度即可在三个数量级范围内调控渗透率，指出bijels结构最适合用于过滤器或反应器。
2024-08-07 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.chem-ph
