掺杂NaCl水溶液结晶形貌的分形研究-论文.pdf

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1、第27卷第3期大学物理实验V0I_27No．32014年6月PHYSICALEXPERIMENTOFCOLLEGEJun．20l4文章编号：1007-2934(2014)03．0011—04掺杂NaCI水溶液结晶形貌的分形研究李淑红，欧建文(1．天津工业大学，天津300387；2．云南师范大学，云南昆明650500)摘要：水溶液结晶是研究分形形貌的重要实验之一。本文通过改变溶液浓度，溶质组分和结晶温度等宏观实验参数，用分形维数的方法研究了这些参数对结晶形貌的影响。指出在低浓度下的非平衡态中溶液结晶形貌具有分形结构

2、；不同晶体的生长作用力相互竞争，混乱度最大的情况下形成的分形结构最凸出，生长作用力是影响晶体形貌的主要因素；同时，分子热运动也是影响结晶形貌的因素之一。关键词：结晶，分形，分形维数中图分类号：O781文献标志码：A平衡态是指一种完全不受外界影响，内部各常见的生产和生活资料，对它们水溶液结晶形貌宏观量达到稳定的理想物理状态。现实系统绝大的研究不仅能够推广人们对分形理论的理解，而多数情况下会与外界有物质或能量交换，这就是且还能从分形理论中更加深刻理解水溶液的结晶非平衡态系统。自然界中，水气凝固而自发形成行为。的雪花，

3、流水中耗散结构形成的湍流，叶脉的自组本文通过改变水溶液结晶实验的浓度、溶质织生长等等都是非平衡态系统。分形理论的提组分和温度等宏观参数，用偏光显微镜观察玻璃出，为揭示这一类复杂系统提供了有力的工具，它基片下溶液的结晶形貌，由分形维数分析，定量考所描述的就是在非平衡态下形成的极其破碎而复察各宏观参数对溶液结晶形貌的影响。杂，但有其自相似性或自仿射性的体系j。该理论提出后，人们从这个新的角度进一步了解自然1实验界的各类复杂行为，包括自然科学和社会科学的各个领域。j。1．1实验样品的制备水溶液结晶因其实验装置简单，操作

4、方便，宏讨论浓度对结晶形貌的影响，配制0．1、0．3、观参数易于控制，对不同的实验条件能获得形态0．7和1．0mol／L浓度的NaC1溶液，蒸发温度设各异的分形结构，因而成为被研究较多的实验系定为50℃，在烘箱中烘干结晶。讨论溶质组分的统。赵珊茸等利用快速冷却结晶，形成在远离影响，保持溶液总浓度为0．1mo]／L，在NaC1溶液平衡态条件下的b石英晶体形貌，找到一种具有中按0、1、3、5、7、9组分添加Nas0作为杂质引Sierpinski铺垫分形图案的形态。薛其彬等研入，蒸发温度100℃。最后讨论温度对结晶形貌

5、究含能材料NTO晶体在玻璃基片上的结晶行为，的影响，按上一实验条件在3组分的Nas0溶液发现随着浓度升高，晶体形貌从分形结构转变为中，改变蒸发温度25、50、80和135oC。立方结构。1．2分形维数分析曾有文献单独就NaC1和Na：s0结晶行为进分形维数是描述分形的主要参量，它可以定行研究J，指出NaC1结晶符合随机Koch曲线，量描述分形结构的自相似程度、不规则程度或破是远离平衡态下的自组织现象，Na：SO结晶的微碎程度，反映了复杂形体的不规则性。随着分观形貌具有分形特征，并用一维随机成核生长模形理论发展起来

6、的分形维数分析软件有很多，本型对形成机理进行探讨。NaC1和NaS0是两种文主要运用Fractalyse软件分析实验图像的分维。收稿日期：2013-12—18掺杂NaC1水溶液结晶形貌的分形研究下降，这是由于纯NaC1结晶过程受外来杂质石的制备就观测到这种结晶，它们类似于菊花状，NaSO影响，两种结晶过程叠加，导致纯NaC1结研究人员称其为flower—like结晶。由于它结构奇晶作用减小，分形维数降低。另外，我们实验还给特，在化学催化、传感器元件、复合纳米材料等诸出纯NaSO结晶分维1．858，此时可以反过来思

7、多领域都有应用研究。考，视NaC1为杂质，纯NaSO结晶受到杂质影响，在掺杂1组分NaC1后导致纯NaS0结晶作用减小，分形维数降低。在横坐标组分为1和9的时候，分维值分别处于两个极小值，证明了以上●_推导■■(c)(d)图5不同温度的结晶形貌(xlOO)分维随温度的变化趋势如图6，随着温度的图4杂质对晶体分形维数的影响增加，分形维数先增大后减小，在80℃时达到最在组分的中间过程，两种物质的结晶作用力大。相持不下、相互争执，达到了最大的混乱度。正如两个人打拳一样，若其中一个人特别强那么另一个人很容易就被打倒，但是

8、，当两个人的力量相当，则可能形成拉锯战，甚至难分胜负的复杂状态¨。从一开始的以NaC1结晶团聚生长为主导的形貌逐渐变为以Nas0结晶延续生长为主导的形貌。而当NaC1和NaSO结晶生长作用力相近时，即Nas0杂质占3、5、7组分时，晶体形貌最为混乱复杂，分维也达到最大1．935。由此得图6温度对结晶体分形维数的影响出，晶体的生长作用力是影响晶体形貌的主要因素。上节分析可知