国家自然科学基金
资助项目进展报告
资助类别：重点项目
亚类说明：
附注说明：
项目名称：软凝聚态物质研究
负 责 人：马余强 电话：025-******** 电子邮件 ：myqiang@https://www.doczj.com/doc/9a11128844.html, 依托单位：南京大学
联
系 人：陈卫
电话：025-******** 资助金额：150.0000(万元)
累计拨款：60.0000 (万元)
执行年限：2004.01-2007.12
39933 0
填表日期：2005年1月5日
国家自然科学基金委员会制（2004年11月）
项目批准号 10334020 申请代码 A0401 归口管理部门
收件日期
关于填报《国家自然科学基金资助项目进展报告》的说明
2004PT
一. 项目负责人每年须填报《国家自然科学基金资助项目进展报告》（简称《进展报告》），以
此作为自然科学基金资助项目跟踪、管理的主要依据。
二. 项目负责人应认真阅读自然科学基金项目管理和财务管理有关规定、办法（查阅
https://www.doczj.com/doc/9a11128844.html,）, 在年度工作的基础上，实事求是地撰写《进展报告》。
三. 项目依托单位认真审核, 于每年1月15日前将本单位受资助项目的《进展报告》统一报
送国家自然科学基金委员会归口管理部门。
四. 《进展报告》由报告正文和附件两部分组成, 报告正文请参照 “《进展报告》报告正文
撰写提纲”撰写，并可根据需要增设栏目，要求层次分明, 内容准确。项目执行过程中的进展或研究成果、计划调整情况等，须在报告中如实反映。
五. 国家自然科学基金委员会归口管理部门负责审核项目年度《进展报告》、跟踪项目进展与
研究成果、核准项目负责人的次年度研究计划和调整要求，确定项目继续资助的情况。
对不按要求填报《进展报告》，或项目执行不力，或内容、人员等调整不当而影响项目顺利进展的，视其情节轻重要求负责人和依托单位及时纠正，或给予缓拨资助经费、中止或撤消项目等处理。
六. 《经费执行情况报表》由重大项目的课题和重点项目填报，重大项目每年度填报随进展
报告一同报送，重点项目在进行中期检查的年度填报。其他项目无需填报《经费执行情况报表》，只需在《进展报告》中对经费使用情况和下一年度经费安排做出必要的说明。
注：国家自然科学基金强调科学道德和良好的学风，反对弄虚作假和浮躁作风，要求工作认真、填报材料实事求是。部分探索性研究内容，虽经过努力，也可能没获得理想结果或甚至失败，特别是面上项目。如有这种情况，也请在报告中实事求是地反映出来，说明工作状况和发展态势，供国家自然科学基金委员会和专家参考。
经费执行情况报表 （金额单位：万元）
填报说明：
1．重大项目每年度填报本表，重点项目在将要进行中期检查的年度填报本表，所有支出填报累计值；2．“机动经费”只由重大项目的项目负责人填写，重点项目不填写。
已拨入经费（总额）
科 目 预算经费经费支出说 明
一．研究经费0.00000.0000
1．科研业务费 0.00000.0000
（1）测试/计算/分析费
（2）能源/动力费
（3）会议费/差旅费
（4）出版物/文献/信息传播事务费
（5）其它
2．实验材料费0.00000.0000
（1）原材料/试剂/药品购置费
（2）其它
3．仪器设备费 0.00000.0000
（1）购置
（2）试制
4．实验室改装费
5．协作费
二．国际合作与交流费 0.00000.0000
1．项目组成员出国合作交流
2．境外专家来华合作交流
三．劳务费
四．管理费
五．机动经费 0.00000.0000
1．研究经费*
2．国际合作与交流费*
3．学术会议费*
4．其他
合 计 0.00000.0000
已拨入经费结余
报告正文撰写提纲
1. 年度计划要点和调整情况。简要说明是否按计划进行, 哪些研究内容根据国内外研究发展状况及项目进展情况做了必要的调整和变动，哪些研究内容未按计划进行，原因何在。
2. 研究工作主要进展和阶段性成果。(本部分是进展报告的重要部分,请认真撰写)。请分层次叙述所开展的研究工作、取得的进展或碰到的问题等，给出必要的数据、图表。根据实际情况提供国内外有关研究动态的对比分析及必要的参考文献。本部分亦包括国内外合作与学术交流、研究生培养情况等。
3. 下一年度工作计划，包括国内外合作与交流计划。如要求对原研究内容和主要成员作重要调整，需明确要求调整的内容，并说明理由、必要性以及对项目实施的影响。（注：为保证基金项目顺利进行，研究人员要求稳定，一般不作变更。如确需变更，须按基金项目管理办法规定的要求提出申请，经自然科学基金委归口管理部门核准后方可变更。）
4. 当年经费使用情况与下一年度经费预算。给出必要的经费使用情况的说明，逐项列出固定资产超过5万元的设备的名称、使用情况等有关说明。
5. 存在的问题、建议及其他需要说明的情况。说明项目执行中的问题和建议。对部分探索性强的研究，有可能未获得理想结果或甚至失败，请如实地反映，说明原因、工作状况、发展态势和建议等，供基金委管理人员或同行专家参考。
6. 附件：给出标注基金资助的已发表和已有录用通知的论文目录、其他成果清单和必要的证明材料复印件等。发表论文按常规文献引用方式列出。
报告正文
一、 年度计划要点和调整情况：
项目年度研究按计划进行，仍然围绕软凝聚态物理中心对象， 即胶体， 聚合物以及胶体/聚合物体系，根据预定的方案、路线开展研究；同时，根据国内外研究的最新进展，增加了： 1）纳米胶体微粒的合成和性质的研究工作，对纳米微粒的结构、粒径大小和粒径分布进行表征和研究。研究进展顺利并取得了较好的结果； 2）复杂网络的统计物理研究, 经过一年的努力, 目前已经取得了一些进展, 完成论文4篇, 部分正在审稿过程之中。 2005年的工作中的一个重要部分也将是复杂网络的研究并有望取得较好的成果； 3)胶体/聚合物复杂体系的一个重要研究问题是模拟膜蛋白相互作用和聚集研究， 我们将开展膜蛋白体系的研究。
二、 研究工作的主要进展和阶段性成果：
研究工作按照预定计划， 以胶体， 聚合物以及胶体/聚合物体系研究为主线，系统探索体系自组装， 成核结晶和有效相互作用等前沿问题， 分别取得了下列主要进展： 1. 聚合物理论研究方面：
1）聚合物熔体结晶过程中取向松弛决定了成核母体的形成：我们用动力学蒙特卡洛方法模拟由伸展链组成的高分子体系的无热松弛和等温结晶。 通过研究高分子链松弛两个阶段（即完全无序状态和保留一定取向有序的半松弛状态）对结晶的影响，发现取向的记忆很明显会提高体系的结晶速度。结晶速度的不同必须追溯到成核机理，但是链的松弛是连续的，均匀的，排除了由于链纠缠致使半松弛状态残留一部分为松弛的长链。所以结晶速度快是由于一定的取向记忆降低了体系的熵。 我们知道取向有序是串晶形成的前提，实验上观测到了在剪切场下形成的串晶。利用计算机模拟，我们可以观测分子运动的细节，以及高分子是怎样运动形成串晶的。发现在链长一样的熔体里没有成核母体的形成，然而在不同链长的二元混合物里，取向有序的长链形成了成核母体，引起了周围松弛短链的附生结晶。这表明串晶的形成是由于取向松弛，而不是取向拉伸，与实验推测一致。
2）嵌段聚合物薄膜受限在聚合物修饰的两硬板间的结构有序机制：近年来，由于工业上对实现可控有序纳米结构的需要，受限聚合物薄膜的研究受到广泛关注。研究表明，受限于两硬板间的嵌段聚合物可以实现层状结构取向的改变。 但由于板面浸润以及受限影响，圆柱结构以及圆柱—层状结构转变的实现非常困难。我们提出用聚合物链修饰的底板（即聚合物刷）代替硬板，采用自洽场理论方法对受限于其中
的两嵌段聚合物薄膜的有序机制进行了系统的研究。正是由于聚合物刷上链的柔性，为受限的嵌段聚合物薄膜提供了“软”的界面，避免了由于边界效应带来的Frustration诱导的拓扑缺陷，使得完好的有序结构有可能得以实现。我们发现当改变聚合物刷上的链浓度（等效于受限薄膜厚度的变化）时，出现了圆柱和层状纳米结构交替出现的重入转变。整个相图给出了在不同薄膜厚度和嵌段聚合物相对浓度下如何实现周期层状结构还是圆柱纳米结构。研究表明用聚合物刷代替硬板，有效的克服了上面提到的困难，相信会在工业上有很好的应用前景。
3） 胶体颗粒在聚合物修饰的衬底上的沉积：如何使胶体粒子形成有序的阵列结构有着重要的实际意义。通常我们采用的手段是自组装, 并使得胶体球有足够的运动能力以达到系统的最低自由能状态。例如让胶体球处于溶液中, 或两相界面, 或在模板诱导下, 或在嵌段共聚物花样薄膜上, 粒子可以自组装成丰富的高度有序的结构。我们通过理论模型的计算, 研究了胶体粒子在重力驱动下沉积到聚合物修饰的衬底上形成有序结构的问题。聚合物修饰的衬底是指在衬底上嫁接很多聚合物链, 形成聚合物“刷”的结构。由于聚合物的构象熵而使得衬底具有弹性性质。我们采用自洽场理论方法来描述嫁接的聚合物链和自由聚合物链, 同时我们用密度泛函来处理胶体粒子, 并耦合到自洽场方程中。 结果表明, 适当选择胶体粒子的大小, 比重以及粒子的浓度, 我们可以得到一层及多层有序的粒子结构.
分析表明这是由于胶体粒子重力和聚合物“刷”弹性熵相竞争的结果。重力作用下粒子尽量下沉, 而嫁接聚合物链的构象熵阻止粒子的侵入, 形成弹性回复力, 两者平衡驱动粒子排列成有序的结构。进一步，由于聚合物链的熵竞争限制了第一层粒子的数目, 胶体粒子增加会促使第二层排列的形成。第二层粒子的结构受到第一层粒子和溶剂聚合物的控制, 而不再受聚合物“刷”的直接影响.
4）聚合物“刷”诱导的粒子间相互作用：胶体粒子的自组装研究有着十分重要的意义。
胶体粒子往往通过环境的诱导产生有效的相互作用, 从而来调控胶体的自组装有序结构和行为。 这里环境调控包括例如溶剂, 衬底以及外场。为了研究某种环境下大量粒子的自组装行为, 首先需要弄清两个粒子间的有效相互作用。 用聚合物“刷”来修饰衬底是一种很普遍采用的方法, 它也可用来调控粒子的组装。 所以有必要研究两胶体粒子在聚合物“刷”的诱导下的有效相互作用。我们采用自洽场理论模型来研究两胶体粒子在聚合物刷中相互作用能随着侵入深度, 及粒子大小的变化。结果表明, 随着侵入深度, 和粒子大小的变化, 粒子间相互作用可以发生从吸引到排斥的转变。 同时自由能曲线随距离的变化有一个能垒，反映了粒子间短程吸引长程排斥的特性。 当粒子较大, 侵入深时能垒消失粒子间完全是排斥的。
另外, 由于耗尽作用和聚合物刷熵的竞争可能在短程出现弱的双峰结构。我们还研
究了自由能曲线的长程特性, 发现它很好的满足e指数衰减的形式。
5) 振荡离子驱动下两嵌段共聚物和均聚物的混合物所形成的微观层状结构的取向序
转变: 利用三序参量介观场论模型，详细地研究了振荡粒子驱动下的两嵌段共聚物与均聚物构成的混合物相分离薄膜的取向序转变过程。结果发现，系统在发生宏观相分离的同时伴随着微观相分离。尽管宏观相分离是各向同性的，但微观相分离在振荡粒子的作用下是各向异性的，且随着振荡强度与振荡频率的不断增大，微观层状畴结构从各向同性的层状结构转变成平行于振荡场方向，然后从平行于振荡场方向的状态又回到各向同性状态，最后从各向同性状态转变成垂直于振荡场方向的状态。从而实现了微观层状结构从平行到垂直的转变。结果表明相分离过程中通过加入振荡粒子可以实现取向序的形成和转变。
上述工作均已完成，在评审或修改中。
2. 聚合物实验方面：
1）通过自由基活性聚合，合成了一系列分子量不同、分子量分布窄、化学组成不同且含有活性末端基的苯乙烯和4-乙烯基吡啶共聚物，并通过相应的分析手段对所合成的共聚物进行了表征，对聚合的过程和反应动力学进行了研究。
2）运用旋转涂膜的方法制备了一系列的二维高分子薄膜。
3） 利用所合成的共聚物具有化学活性末端的特点，通过化学反应将二维高分子薄膜共价接枝到单晶硅基板上，因而在硅基板上制得了一系列的表面性能不同的高分子刷子，改性了基板的表面性质。为下一步的研究奠定了基础。
4）研究了高分子链在超薄膜且链一端固定在基板表面的条件下，高分子链与基板的相互作用对薄膜厚度的影响。发现随着高分子链与基板相互作用的增强，薄膜的厚度减小。
5）发展了一种合成空心纳米胶体微粒的新方法，即无模板合成空心纳米胶体微粒。 6）将磁性氧化铁纳米微粒通过无模板合成空心纳米胶体微粒的新方法合成了一系列氧化铁纳米微粒负载的无机/高分子杂化空心纳米胶体微粒并运用动态光散射和磁力扫描探针显微镜对合成的复合空心纳米胶体微粒进行了表征。
3. 胶体体系研究： 理论上主要是胶体相互作用的研究, 我们利用密度泛函理论计算
胶体球之间的相互作用和带电平板约束条件下反号粒子的密度分布. 我们完善了一系列高效, 简易的计算方法. 包括接受几率模拟方法和密度泛函方法。
1） 二分量胶体中单个分量的有效相互作用对于进一步研究胶体的动力学行为和相结
构有重要基础意义, 我们在密度泛函理论的基础上, 利用Rosenfeld建议的一个经过广泛检验的, 针对硬球系统的密度泛函形式, 我们得到了二分量胶体系统中一个分量胶体球之间的等效相互作用的解析形式。 并利用我们以前发展的接受几率Monte Carlo模拟检验了所得结果, 发现在大部分情况下, 密度泛函理论给出的结果是非常好的。
2） 我们研究了带电平板约束下的反号粒子的密度分布, 利用密度泛函理论计算带电平板约束条件下反号粒子的密度分布。 发现当两个带电平板之间距离较小时, 其中的反号粒子的密度分布问题是一个有挑战性的问题, 目前的处理方法有两类, 一类是完全忽略掉粒子的相关, 在平均场近似下得到PB(泊松-玻尔兹曼)方程, 通过求解这一方程得到粒子的密度分布, 尽管这一手续已经足够繁难, 但实际上只适用于弱耦合极限, 即无量纲耦合常数Gamma趋于0的情形； 另一类方法是所谓的强耦合理论, 把耦合常数Gamma的倒数做为展开参数, 求得微扰展开的前面几项。 这两类方法在两个极限条件下是正确的, 但是, 考虑到反号粒子有一定大小, 从而实际体系中的耦合常数处于中间耦合区域. 对于这种实际的情况, 我们分别用上述两类理论做了处理, 同时通过Monte Carlo模拟进行了检验, 发现两种方法对于实际体系符合的都不是很好。 因此, 我们认为发展中间耦合理论是一个急需解决的重要问题。解决这一问题也是我们2005年的具体研究内容之一。
与此相应, 我们还将重点研究二分量胶体系统的结晶过程, 固相的结构等性质。
出发点是我们已经得到的一系列等效相互作用并结合密度泛函理论和充分使用能量空间的Monte Carlo模拟方法。
4. 胶体溶液实验研究方面：巨电流变材料的发现使电流变材料的研究进入了一个新
的阶段。巨电流变液材料与以往的材料相比有几个显著的不同点：
1） 剪切应力同外加电场的关系不再是以往的二次方的关系而是线性关系。这说明有新的物理机制在其中并且使得对颗粒间局域电场的研究显得格外的重要。对于电流变颗粒的局域电场的实验测量，在国内外尚无相关的报道。我们成功地对局域电场进行了实验的测量并且发现局域电场并不是随外加电场线性增加的。
2） 电流变颗粒的尺度从微米级进入到纳米级。在第九届国际电流磁流变会议上，有非包裹材料具有巨电流变效应和巨电流变效应的剪切应力同外加电场非线性的报告。这使得对巨电流变效应的物理机理的研究显得迫切。我们认为必须从纳米尺度上重新对电流变液的物理机理进行理解，范德瓦耳斯力等必须加以考虑。并将我们的研究成果在本届大会上做了邀请汇报。
3） 此外，我们运用背散射DWS方法研究了电流变液体系中胶体颗粒在加电场和电场
撤掉瞬间情况下的均方位移。并且运用颗粒间的Van der Waals 引力对这种拖尾效应作出了合理的解释。
值得一提的是项目第一年我们在影响因子大于7.0 的期刊Angew. Chem. Int. Ed 和ADVANCED MATERIALS上发表两篇论文。
项目主持人马余强在2004年参加的学术活动有： 1）与浙江大学郑波教授一起组织一次国际模拟物理会议；2）担任中国物理学会2004年秋季学术会议软凝聚态分会主席和召集人；3）参加第七届中美前沿科学会议软物质专题主席并做专题引言报告；4）参加国际学术会议第六届国际高分子物理大会邀请报告；5）参加国际学术会议第四届华人物理学大会邀请报告；6）参加国内全国凝聚态理论与统计物理会议邀请报告；7）参加中国物理学会秋季学术会议邀请报告；8）参加高分子物理暑期讲习班专题讲演；9）参加理论物理专款设立十周年大会大会邀请报告。
课题组成员周鲁卫， 马红孺参加第四届全国液体和软物质会议，第九届电流磁流变液国际会议，第四届全球华人物理学家会议，2004北京软物质物理暑期学校邀请报告。课题组成员蒋锡群2004年应邀参加了在韩国大田举行的“先进有机材料和高分子材料”研讨会并做了邀请报告。
研究生参加的学术活动和培训有：第四届全国液体和软物质会议，第九届电流磁流变液国际会议，第四届全球华人物理学家会议，2004北京软物质物理暑期学校等。目前在项目支持下的研究生共40名, 其中大多数为博士研究生, 多名博士生将在2005年完成学业。
三、 下一年度的工作计划
基本内容均按照预定的内容，方案和路线，重点需要强调和说明的是：
1)胶体理论方面, 主要是探索胶体的结构和相变问题, 特别是胶体晶体的生成条件, 相结构等问题以及互相扩散等动力学问题. 继续复杂网络的理论研究； 实验方面, 将在完成液液浸润的后期工作之后, 开始微观流变学的实验探讨。
2）纳米电流变颗粒的尺寸效应的研究既是进一步提高电流变效应的需要，又是理解巨电流变效应和传统电流变效应的桥梁。目前尚无同一种材料的尺寸效应的相关研究。主要困难是：巨电流变效应的机理尚不清楚和材料制备具有难度。这是计划之一。在饱和极化模型中，壳层分子的固有偶极矩对巨电流变效应有着极其重要的作用。但是目前，还没有相关实验报道来说明不同固有偶极矩的壳层物质对巨电流变效应会有什么影响。这是计划之二。
3）聚合物实验主要集中在：a) 聚苯乙烯和聚4－乙烯基吡啶共混物薄膜在化学改性基板表面的相分离行为； b) 苯乙烯－4－乙烯基吡啶嵌段共聚物薄膜的表面大面积有序结构的构建。
4）聚合物理论方面强调形成高有序纳米结构中熵和界面能量以及外部场竞争的机理；
胶体在聚合物体系中自组装形成有序陈列中耗尽熵效应作用。
四、 当年经费使用情况与下一年经费预算
本年度经费主要花费在科研业务费(14万)，实验材料费（7万），仪器设备费（11万），
劳务费（5万），实验室改装费（2万），协作费（2万），国际合作与交流费（1万）。
下年度经费主要花费在科研业务费(约10万)、实验材料费（约3万），仪器设备费（约
16万），劳务费（约5万），实验室改装费（约2万），协作费（约2万），国际合作与交
流费（约2万）。
五、 存在的问题、建议及其他需要说明的情况
由于均一分散性好且具有巨电流变效应的纳米颗粒制备比较困难，国内外仅有少数几
种材料的报道。这有可能导致实验周期的延长。
六、 附件：论文发表目录
1) Ding Y, Hu Y, Jiang XQ, Zhang LY, Yang CZ,
Polymer-Monomer Pairs as a Novel Reaction System for Synthesis of Magnetic
Fe
3O
4
-Polymer Hybrid Hollow Nanospheres
Angew. Chem. Int. Ed, 2004，46，6369. IF 8.4
2) Hu Y， Jiang XQ， Ding Y， Chen Q.， Yang CZ,
Core-template-free strategy for preparing hollow nanospheres ADVANCED MATERIALS, 16 (11): 933-937 JUN 4 2004. IF 7.5
3) Chen ZJ, Zhang LY, Liu Y, Jiang XQ, Yang CZ,
End-Grafting Copolymer of Styrene and 4-Vinylpyridine on An Interacting Solid Surface, Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, in press.
4) Li CL, Ma HR,
The density distributions of the counterions and the coions confined in two similarly charged plates
JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS 121 (4): 1917-1927 JUL 22 2004.
5) Li WH, Ma HR,
Effective depletion potential of colloidal spheres
CHINESE PHYSICS LETTERS 21 (6): 1175-1178 JUN 2004.
6) Jie H, Shen M, Xu J, Chen WX, Jin Y, Peng WN, Fu XB, Zhou LW,
Enhancement of local electric field in an electrorheological system APPLIED PHYSICS LETTERS 85 (13): 2646-2648 SEP 27 2004.
7) Xu BZ, Jin GJ, Ma YQ,
Evolution kinetics and phase transitions of complex adaptive systems PHYSICAL REVIEW E， in press.
项目负责人签字及部门审核意见表
项目负责人承诺：
我所承担的项目（编号：10334020名称：软凝聚态物质研究）《进展报告内容》实事求是，数据详实。我在下一步研究中将认真工作并及时报告重大情况变动等。
项目负责人（签章）：
日期：
项目依托单位科研管理部门审查和对今后工作的意见：
经办人（签章）：单位公章：
日期：
科学处审核意见：
1．计划完成情况（在 内打√，例;） 2.经费拨款情况（在 内打√）： 按原计划完成任务 按计划拨款
基本按原计划完成任务 暂缓拨款
未完成原计划任务 中止拨款
3. 其它意见：
负责人（签章）：
日期：
科学部核准意见（对重点、重大、国家杰出青年科学基金等及拨款情况发生变化的项目）：
负责人（签章）：