基于电流变液结构的光栅衍射实验研究
基于电流变液结构的光栅衍射实验研究
电流变液作为一种智能材料，在外加电场作用下其物理性质会发生改变，并从液态转变为类固态。本文设计了相应的实验，研究了基于电流变液结构在匀强电场下的光栅衍射现象。研究结果表明，电流变液浓度作为主要因素，影响条纹结构清晰程度、光栅常数、狭缝宽度、衍射主极强间距并决定了衍射图样是否明显。
摘要
电流变液作为一种智能材料，在外加电场作用下其物理性质会发生改变，并从液态转变为类固态。电流变液颗粒在均匀电场下形成偶极矩并导致链状结构的产生，在宏观上聚合成不透光的柱状条纹。在特定条件下，不透光的链状结构形成周期性排列，类似光栅的结构。我们设计了相应的实验，研究了基于电流变液结构在匀强电场下的光栅衍射现象。研究结果表明，电流变液浓度作为主要因素，影响条纹结构清晰程度、光栅常数、狭缝宽度、衍射主极强间距并决定了衍射图样是否明显。
关键词
电流变液；衍射；光栅；链状结构
电流变液作为一种智能材料的复杂液体，通过外电场可以改变其屈服应力和弹性模量等物理性质[1，2]。电流变液一般由具有高介电常数的介质微粒和具有低介电常数的基础液构成。在外加强电场下，电流变液中的固体颗粒受电场极化作用获得感应偶极矩，使得电流变液性能发生改变，电流变液可在液态与类固态之间快速转换。获得感应偶极矩的电流变液固体颗粒排列成有序的链状结构，链状结构在电场下聚合成柱状态，大量的电流变液颗粒在电场下将会形成链状或柱状长链[1，3]。
电流变液在外加电场下形成周期性的条纹结构并产生了衍射图样。我们将衍射图样进行了处理，将清晰可见的亮斑进行了标记在过去70年中，人们对于电流变液的研究主要着手于电流变液的力学性质与电流变液颗粒的合成。不同于以往，我们发现在一定条件下该链状或柱状条纹结构可能为周期性排列。若将周期性分布的柱状长链视为不透光部分，基础液视为透光部分，电流变液在一定条件下可形成类似光栅的结构[3]。近年，有人尝试利用电流变液在一定条件下形成的光栅结构实现光栅衍射[4],用激光照射在均匀电场作用下的电流变液，可观察到明暗交替的衍射条纹。以前的工作存在实验设计简单，条纹结构与衍射图样不清晰，对于电流变液浓度等变量没有进行定量讨论的缺陷。因此，我们设计了相应的实验方案，实现了对电流变液的直接观察，并重点定量讨论了电场强度与浓度对电流变液光栅结构清晰程度、光栅常数与狭缝宽度的影响。
1 基于电流变液的光栅衍射实验
1.1 颗粒合成与电流变液调配
称量12.68g的草酸二水合物缓缓加入至100mL超纯水中，搅拌均匀得到A溶液。量取17mL钛酸丁酯与100mL无水乙醇混合得到B溶液。称量9.94g氯化亚铁四水合物缓慢加入到200mL无水乙醇混合得到C溶液。缓缓将B溶液倒入A溶液，一边混合一边搅拌得到D溶液。将D溶液与C溶液混合，利用搅拌机搅拌6h，随后静止8h。将过滤出的沉淀物用酒精清洗，干燥后放入行星球磨机研磨得到电流变液颗粒。
将电流变液颗粒与硅油以质量比例为1∶1混合，放入行星球磨机研磨得到电流变液原液。配置电流变液时，将电流变液原液与硅油混合，电流变液浓度采用质量分数，浓度为电流变液原液质量/电流变液原液和硅油的总质量，如浓度为5%的电流变液是由5g电流变液原液和95g硅油混合。
1.2 实验装置与实验设计
将安装有电极的载波片固定在夹持装置中，并将质量分数为5%的电流变液均匀分散在载玻片上。打开高压电源，调节适当电压（约600V/mm），此时电流变液逐渐形成类似光栅的条纹结构。打开激光器，532nm的激光依次经过扩束镜与光阑，激光高频部分被过滤，使得激光基频部分透过。激光穿过100mm凸透镜和150mm凸透镜变为能量分布均匀的平行光束，光斑大小可调节[6]。经反射镜1反射后，平行光束到达夹持装置处的电流变液，并在该处发生夫琅禾费衍射，衍射光束经反射镜2后投影至远处观察屏上。在观察屏上观察衍射图样，待衍射图样稳定后关闭高压电源。通过三维移动与水平装置调整夹持装置位置，使得平行光束垂直入射条纹结构清晰明显处。利用坐标纸和游标卡尺记录下观察屏上衍射图样数据。将定标尺放置在倒置显微镜下，用CCD拍照记录。取下定标尺，将载波片放置于倒置显微镜上，利用CCD观察并拍照记录电流变液形成条纹结构，将条纹结构照片与定标尺照片对比，计算出狭缝宽度与光栅常数，如图1所示。
2 实验结果
2.1 衍射实验结果
(1) 在外加电场下，电流变液由未加电场时的均匀分布变为条纹结构，约40s条纹完全形成，120s左右条纹稳定。
(2) 存在临界电场，约为300V/mm，低于临界电场无法形成清晰稳定的条纹结构。临界电场与电流变液浓度有关，浓度低时临界电场较小，浓度高时临界电场较大。
(3) 电场强度仅影响条纹形成速率不影响条纹结构，电场强度高时形成速率快，电场强度低时形成速率慢。
(4) 条纹结构与衍射图样受电流变液浓度影响较大。多次实验得当浓度为7%时实验效果最优。
(5) 形成的条纹结构受到电流变液浓度的影响。
浓度过高时,电流变液不能完全分散，同时条纹间距较窄，密度较高，呈多链结构，条纹交叠难以辨认。
浓度过低时，条纹间距较大，密度较低，但是其流动性强，条纹结构易被破坏。难以稳定成链，可观察到大量空缺或条纹断裂。
浓度适中时，条纹成链明显，清晰笔直，既无局部聚集，也无局部缺陷。条纹间距与宽度适中，光栅常数和狭缝宽度适中，条纹结构稳定。
(6) 衍射图样受到电流变液浓度的影响，如图2所示。
浓度过高时，激光无法穿透电流变液，衍射图样模糊。
浓度过低时，由于光栅常数与狭缝宽度较大，衍射光斑级数较少。大多只能观察到中心亮点，难以观察到明显衍射图样。
浓度适中时，各衍射极强间距适中，衍射图样清晰明显，可观察到多级衍射光斑。衍射图样较为稳定。
2.2 电流变液浓度定量实验
将电流变液均匀分散在三维移动支架的载玻片上，施加电压，电流变液逐渐形成链状结构。将CCD记录下的图片与定标图片比较，计算出条纹间距与条纹宽度。利用电子天平称量电流变液原液与硅油，配置不同浓度的电流变液，浓度采用质量分数（电流变液原液质量/电流变液原液和硅油总质量）。采用不同浓度的电流变液重复上述实验，观察记录实验结果，绘制关系图。改变电极间距离，分别设置为20mm和5mm进行上述实验。
得到的实验结果为：
(1) 电极间距为20mm时，在靠近电极处可观察到周期性排列的单链条纹，载玻片中心多呈现柱状条纹，柱状条纹由单链条纹聚合而成。相同条件下，柱状条纹的条纹间距与条纹宽度具有随机性。
(2) 电极间距为5mm时，电流变液在载玻片中多呈现完整的周期性单链条纹，故形成的条纹结构具有尺度效应。
(3) 单链条纹的条纹间距与条纹宽度与浓度有关。电流变液浓度增大时，条纹间距减小，条纹宽度增大。在浓度范围为2.5%~7.5%区间我们绘制了函数图像，如图3所示。当浓度高于7.5%时会有概率聚合成柱状条纹，当浓度低于2.5%时单链条纹宽度过细，稳定性差，会随布朗运动与扩散被破坏。
3 结果分析
3.1 衍射结果分析
(1) 根据夫琅禾费衍射公式[7]，当电流变液浓度高时，光栅常数d较小，光强主极大间距Δx较大。当电流变液浓度低时，d较大，光强主极大间距较小。多次实验得到，电流变液浓度选择恰当时，条纹间距约为0.20.35mm，衍射图样光强主极大间距约为3.56.0mm，各衍射光强主极大区分明显。以一次实验数据为例，激光波长λ=532nm，光栅到屏距离z=2.3m，光栅常数d=0.2275mm, 计算可得光强主极大间距理论值Δx=5.38mm，测量得光强主极大间距实际值Δx′=5.73mm, 光强主极大间距理论值与实际值误差为6.50%。
(2) 当电流变液浓度高时，比值a/d较小，当级数n取较大时，仍有较大光强，易于分辨。当电流变液浓度低时，比值a/d较大，当级数n取较大时，光强相对较小，与杂光光强接近，难以分辨。当比值约为0.3可观察到±4级衍射光强主极大，当比值约为0.7仅能观察到±2级衍射光强主极大。但若电流变液浓度过高时，比值a/d过小，将导致透过率过低,难以观察到衍射图样。
3.2 浓度定量结果分析
(1) 条纹形成过程为电流变液颗粒在基础液中形成球状小团簇，小团簇在外加电场下产生极化作用，极化颗粒连接成单链条纹，相邻的条纹之间存在电磁相互作用互相吸引，聚合成多链条纹，多链条纹吸引附近游离的电流变液颗粒，聚合成柱状条纹。
(2) 条纹形成过程中，临近电流变液颗粒会先形成短链，短链再连接成完整的单链。由于短链在硅油中扩散运动，并且电场会促使其运动，在条纹形成过程中短链有较大概率向临近的短链靠近。短链之间存在电磁相互作用会彼此吸引，最终表现为临近的单链会聚合成多链。由于扩散运动存在一定的随机性，故多链所包含的单链数量是随机的，每条多链由2~4条单链聚合而成，因此形成的柱状条纹宽度与间距存在随机性。
(3) 短链在接触到电极时会停止运动，故靠近电极处更容易形成单链条纹，而载玻片中心距电极远，此处的短链有更多机会与邻近短链吸引、结合形成柱状条纹。若缩短电极距离，处在载玻片何处的短链都距离极板较近，故更大概率形成完整的单链条纹。因此条纹形成具有尺度效应。
(4) 当电流变液浓度均匀时，载玻片中电流变液颗粒排布规律，在匀强电场下会形成周期性单链条纹结构。浓度高时，单位面积内电流变液颗粒物质量多，形成的小团簇大，故单链条纹宽度大，形成的小团簇数量多，故单链条纹密度高，条纹间距小。
3.3 误差分析
本实验误差主要来源于电流变液的沉降与电场分布。电流变液的沉降作用是电流变液研究中无法避免的问题，由于沉降会导致局部浓度不均匀，而影响条纹结构。因此我们增加了对电流变液颗粒研磨时间与电流变液混合时间，同时确保每次实验使用新制备的电流变液，以降低沉降。若电场不够均匀，即便是微小的倾斜都会导致形成的条纹结构弯曲，因此实验重新对实验装置进行了设计与改进，以确保电场尽可能接近匀强电场。
4 结语
通过配比合适浓度的电流变液，我们使用电流变液的周期性链状结构实现了液体结构衍射光栅的实验。我们通过定量实验来分析条纹的形成方式，详细给出了实验过程和结果分析，着重分析了链状条纹的周期性以及柱状条纹的随机性。我们给出了浓度与单链条纹宽度与间距的基本关系。通过本实验，我们定量给出了电场下电流变液链状结构的形成，这让我们对电流变微观机理有了进一步的认知。
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本文原文来自：《物理与工程》