电流变液态光栅实验研究

薛治平,周昱萱,2,伍卓柱,代 唯,魏 华

(1.重庆大学 物理学院,重庆 400031;2.北京大学 电子学院,北京 100871;3.育才中学校,重庆 400050)

电流变液是目前最吸引人的智能材料之一,它有着流动的行为和流变的特性,其特性在不同的外加电场下有着不同的效果[1-2]。以往研究表明,电流变液流体通常是由分散在非极性液体介质中的可极化颗粒组成的悬浮液。通过施加外加电场使电流变液流体在毫秒级的时间内从液体变为近固态,屈服应力和剪切模量的数量级也随之增加;此外,一旦电场被移除,这种效应完全地迅速逆转[3-4]。而相比于普通的电流变液,巨电流变液具有更好的特性,其表现在于:相同电场作用下,巨电流变液流体表现出几乎更高一个数量级的屈服应力[5]。

在施加外加电场后,电流变液流体在毫秒级的时间内从液体变为近固态,屈服应力和剪切模量的数量级也随之增加。而屈服应力和剪切模量的增加的原因,是电场作用下电流变液微观形态的变化。由以往的研究表明[3],巨电流变液中存在较大的棘状颗粒(微米量级)和相对较小的不规则纳米颗粒(纳米量级)。液体在强电场作用下,棘状颗粒和不规则纳米颗粒相互配合,在电场强度方向上排成一条条拉紧的长链(棘状颗粒为形成长链的主体,纳米颗粒在每两个棘状颗粒之间负责加强衔接的作用)。因此,在垂直于长链方向(电场方向)上的剪切应力得到了增强。这就是巨电流变液在电场作用下力学性质变化的原因。在以往的实验中,我们已经对这种流变液链状结构进行了观察,给出了其完整的成链过程[5]。

在实验中我们发现,在平面上电流变液薄层在电场作用下的链状结构,某些局部区域具有空间周期性的分布。同时可以看出,电流变液形成的链状结构是不透明的,而每两条链之间是透明的。这样的性质与光栅类似。我们进一步发现,在适当的条件下——激光光斑直径足够小且光强分布足够均匀[6],电流变液链状结构比较密集、局部呈现出光栅的周期性结构时,激光透过电流变液薄层可以产生衍射现象。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

电流变液是由课题组利用化学合成法自主制备的主要颗粒为钛参杂草酸亚铁的巨电流变液[7],因此我们可以很方便的调配不同的浓度。

我们在之前的研究和探索中得出电流变液产生光栅衍射的重要条件之一——调节激光光斑直径足够小且光强分布足够均匀。实验光路如图1所示。在利用电流变液制作液态光栅的实验中,我们利用了定制的载玻片,自制的铜电极,静态高压电源,巨电流变液及硅油等实验材料。

扩束镜和光阑起到产生均匀光强激光光束的作用,两个透镜起到缩小激光光斑直径的作用。系统可以产生细小均匀的激光光斑。接收屏放置在图的左侧,与反射镜距离较远,与光束垂直,用于接收衍射图像。图1 光路及流变液结构

1.2 实验过程及结果

我们采取的实验方案是:先将电流变液和硅油混合均匀,再将其均匀的涂抹在载玻片上,在载玻片的两侧加上平行的铜极板并加上静态高压(2 kV/cm～5 kV/cm),过大约两分钟(90～150 s,出现现象且现象稳定后即可)后观察电流变液变化的现象和激光照射在电流变液上产生的衍射现象。

经过多次实验,我们观察到了许多液态光栅的实验现象:电流变液在高压电场的作用下,可以逐渐形成沿电场线分布的链状结构[8]。由于我们使用的电极是平行板,所施加的电场是匀强电场,电流变液也以一条条互相平行的直线密集地在载玻片平台上排布着。从整体上看,电流变液形成的链状结构具有空间周期性,当我们调节好外部条件(电场强度,流变液浓度等)时,总可以找到局部区域的链状结构具有较严格的空间周期性排布,其相邻的链状结构具有等间隔的直线式排布。我们用激光光束打在这种周期性排布的结构上,可以发现有明显的衍射条纹出现。通过多次实验,我们发现当电流变液与硅油混合得越均匀,电流变液浓度控制得越适当,这种空间周期性排布的链状结构出现的概率也就越大。也就是,其出现的概率可以随着外部条件的变化而变化,可以受到我们实验条件的调控。

在电流变液态光栅衍射的实验中,我们按照实验方案,多次重复了实验,并把每次实验得到的液态光栅放在显微镜下观察,得到了图像(见图2)和数据表(见表1)。

表1 液态光栅实验数据表

在光学显微镜下观察,可以看到电流变液沿电场线分布,具有空间周期性的链状结构。链状结构空间周期的量级是0.1 mm。图2 光学显微镜下的流变光栅结构图

D2:光栅到屏的距离;d2:光栅常数测量值;x2:衍射条纹间距测量值;数据处理方式:用光栅方程和数据D2,d2,波长计算衍射条纹间距理论值,再与实验值x2对比计算得出实验误差。

为了进一步探究电流变液态光栅的性质,我们做了液态光栅和传统固态透射光栅的衍射对比实验,记录了两者的衍射图像(见图3)。

(a)为液态光栅的衍射图样;图(b)为液态光栅处理后的衍射图;图(c)为固态光栅的衍射图图3 固态光栅和液态光栅的衍射图像

同时,我们多次重复了对比实验,得到了多组实验数据,并对数据进行了处理,得到了表2。

表2 传统透射光栅实验数据表

D1:光栅到屏的距离;d1:光栅常数;x1:衍射条纹间距。数据处理方式与表1的相同。

精制的传统透射光栅,在1 cm宽度内的刻痕条数是可以选择的。为了实验中两种光栅得到类似尺寸的衍射条纹图,我们匹配了参数相近的光栅[9-10]。我们在两次不同光栅的实验中,控制了光栅到屏的距离和光栅常数的比值相同。最终,我们得出的比对误差(表3)是两种不同光栅的衍射条纹间距的比对误差。

表3 两种光栅实验数据对比表

D1:传统透射光栅到屏的距离;d1:传统透射光栅的光栅常数;x1:传统透射光栅的衍射条纹间距。D2:液态光栅到屏的距离;d2:液态光栅的光栅常数;x2液态光栅的衍射条纹间距测量值。

为了直观看出衍射条纹间距和D/d的数量关系,我们用最小二乘线性拟合的方法,绘制了图4。

D/d图中a1表示传统透射光栅衍射条纹间距,a2表示液态光栅衍射条纹间距。图4 传统光栅和液态光栅衍射条纹间距和D/d的关系图

2 结 论

综上所述,我们成功制作了一种新型的以电流变液为材料的液态光栅,这种光栅具有根据外界条件可调控的性质。还将传统的固态透射光栅和新型的液态光栅作了比较,发现它们实验上都很好的符合光栅衍射公式。电流变液态光栅的缺点是其光栅常数较大,且无法做到像传统光栅那样精密。但是,传统光栅的光栅常数是固定的,而液态光栅的光栅常数是可以物理调节的,这在智能器件中具有巨大的应用价值。