Micropores can enhance intrinsic fracture energy of hydrogels
该研究通过模拟二维聚合物链网络的裂纹尖端行为，发现微孔可通过孔间相互作用使内聚能分布均匀，从而按比例提升水凝胶的本征断裂能，为水凝胶抗疲劳设计提供了新思路。
2024-06-24 cond-mat.soft
Obstructed swelling and fracture of hydrogels
该研究结合实验、有限元模拟与理论框架，分析水凝胶围绕不同几何圆柱障碍物溶胀时的应力分布及自断裂条件。
2024-01-22 cond-mat.soft
Anti-fatigue-fracture hydrogels
水凝胶在设备和机器中的新兴应用需要这些软材料在循环机械载荷下保持鲁棒性。尽管已经使水凝胶在单次机械载荷循环下具有抵抗断裂的韧性，但是这些增韧的凝胶在多次载荷循环下仍然遭受疲劳断裂。报告的疲劳阈值（即，在循环载荷下发生裂纹扩展的最小断裂能）为1-100 J/m2的数量级，这主要与断裂每单位面积的单层聚合物链所需的能量有关。在这里，我们证明了在水凝胶中结晶度的受控引入可以显着提高其疲劳阈值，因为疲劳裂纹扩展的断裂结晶域的过程需要比断裂单层聚合物链高得多的能量。结晶度为18.9wt%的聚乙烯醇（PVA）的疲劳阈值在溶胀状态下的能量密度可以超过1，000 J/m2。我们进一步开发了一种策略，以提高PVA水凝胶的抗疲劳断裂性能，但仍然保持其高含水量和低模量的图案化的水凝胶中的高度结晶区域。本工作不仅揭示了水凝胶的抗疲劳断裂机理，而且为设计适用于不同应用的抗疲劳断裂水凝胶提供了一种实用的方法。
2018-12-16 cond-mat.soft physics.app-ph
Normal stresses in semiflexible polymer hydrogels
已知生物聚合物凝胶如纤维蛋白和胶原网络在经受扭转时产生拉伸轴向应力。这种负的法向应力与大多数弹性固体（包括合成聚合物凝胶）观察到的经典坡印廷效应相反，其中扭转引起正的法向应力。如最近所示，纤维蛋白凝胶中的这种异常行为取决于生物聚合物凝胶的开放的多孔网络结构，这有利于剪切过程中的间质流体流动，并且可以通过网络和溶剂之间具有粘性耦合的唯象双流体模型来描述。在这里，我们扩展了这个模型，并开发了一个微观模型的应力张量，确定半柔性聚合物水凝胶的轴向响应的各个对角分量。这个微观模型预测，这些应力分量的大小取决于反向的特征应变的非线性剪切应力的发病，我们证实实验上的纤维蛋白凝胶剪切流变仪。此外，我们的模型预测的瞬态行为的正应力，这是在很好的协议与全时间依赖的正应力，我们测量。
2018-03-07 cond-mat.soft
Mode I fracture of a biopolymer gel: rate-dependent dissipation and large deformations disentangled
我们设计了一个新的实验装置，能够在小尺度下研究软材料的断裂。在高裂纹速度，能量主要是通过粘弹性过程耗散，我们观察到一个越来越大的高应变域在裂纹尖端附近。利用我们的能力，以确定线弹性断裂的地方，我们得到一个简单的预测的能量释放率与裂纹速度的演变。
2015-01-06 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Crosslinks increase the elastic modulus and fracture toughness of gelatin hydrogels
水凝胶具有经受大变形的能力，但像脆性材料一样失效。具有高强度和韧性的生物相容性水凝胶的开发在许多应用中是一个持续的挑战。我们使用戊二醛（对照）和甲基乙二醛（MGO）交联牛明胶，并评估其断裂韧性的变化。溶胀实验显示，MGO水凝胶中的水保留率为~710%，而对照样品中的水保留率为~450%。我们使用FTIR来鉴定可能参与明胶凝胶交联的化学基团的存在。冻干的MGO水凝胶的扫描电子显微照片显示与对照样品相比具有板状完整壁的大孔，其有助于保持水。单调压缩试验证明了两个水凝胶组的非线性应力-应变行为。与模量为4.77 ± 0.73kPa（n=4）的对照水凝胶相比，MGO样品具有高96%的模量。一阶奥格登模型拟合的应力-应变数据，以及相比，Mooney-Rivlin和新Hookean模型。我们使用空化流变学来量化水凝胶中气泡破裂的最大压力，使用内径分别为75、150、230和320 μm的钝针。气泡内的压力随时间线性增加，并在临界值后急剧下降。与对照样品中的大球形气泡相比，MGO凝胶中的气泡小且呈硬币形状。我们使用临界压力来量化水凝胶的断裂能。MGO处理使对照凝胶的断裂能从13.09 J/m2增加了187%。最后，我们讨论了在使用奥格登和穆尼Rivlin模型来计算明胶水凝胶的失效能的挑战。
2022-03-16 cond-mat.soft physics.bio-ph
Exploring the Nonlinear Rheology of Composite Hydrogels: A New Paradigm for LAOS Analysis
研究共聚纤维蛋白与明胶复合凝胶的非线性流变特性，将SPP方法扩展为统计几何框架，通过Cole-Cole图形状变化分析线性行为向非线性行为的转变，为复合材料非线性响应提供分类方案。
2025-08-12 cond-mat.soft
Solvent control of crack dynamics in a reversible hydrogel
可逆生物聚合物水凝胶的抗断裂性是食品凝胶的切割/切片和食用特性的重要控制因素。这对于它们在组织工程中的利用也是至关重要的，对于组织工程，需要对封装的组件进行机械保护。它的负载率的依赖性，最近，对密度和强度的交联已被调查。但至今没有注意到溶剂和环境效应。在这里，我们报告了一个系统的研究在水/甘油混合物中的明胶凝胶的裂纹动力学。我们在这个模型系统上表明：（i）增加溶剂粘度减缓裂纹;（ii）用溶剂浸泡显着增加凝胶脆性;（iii）调整（混溶）环境液体的粘度通过裂纹尖端附近的扩散入侵影响裂纹扩展。结果表明，断裂是由粘塑性链拔出引起的。这种机制，以及相关的现象，应该是共同的所有可逆交联（物理）凝胶。
2006-05-16 cond-mat.soft
3D characterization of kinematic fields and poroelastic swelling near the tip of a propagating crack in a hydrogel
本文提出数字图像相关与粒子追踪混合方法，首次直接测量水凝胶中缓慢扩展裂纹尖端附近的三维运动学场和孔隙弹性溶胀，揭示显著几何非线性及与局部拉伸相关的溶胀行为，为断裂力学提供实验依据。
2024-05-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
A convective instability mechanism for quasistatic crack branching in a hydrogel
明胶水凝胶中的准静态裂纹扩展实验揭示了一种新的分支不稳定性，其由用一滴比本体粘度低的水性溶剂润湿尖端开口而引发。我们表明，不稳定的分支的出现结果从二次裂纹扩展的速率和平流远离非线性弹性区域的大小$\mathcal G/E$，其中$\mathcal G$是断裂能和$E$的小应变杨氏模量的速率之间的平衡。我们建立了一个最小的，预测模型，结合了这个介观区域的机械特性和过程区的物理特征。它占的稳定性图的细节，并借支持的想法，非线性弹性起着关键作用的裂纹前缘的不稳定性。
2009-11-20 cond-mat.soft
Normal stress anisotropy and marginal stability in athermal elastic networks
半柔性生物聚合物（如胶原蛋白）的水凝胶已被证明在剪切应变下轴向收缩，与大多数弹性材料观察到的轴向扩张相反。最近的工作表明，这种行为可以理解的多孔，双组分的性质和随之而来的时间依赖性的水凝胶的可压缩性。通过扭转流变仪测量的表观法向应力仅反映了轴向分量$σ_{zz}$在长（可压缩）时间尺度上的拉伸贡献，在短（不可压缩）时间跨越到第一法向应力差$N_1 = σ_{xx}-σ_{zz}$。虽然$N_1$的行为对于经历仿射剪切变形的各向同性粘弹性材料是很好理解的，但生物聚合物网络通常是各向异性的并且非仿射地变形。在这里，我们数值研究下产生的剪切亚均衡，无热半柔性聚合物网络的正应力。我们发现，这样的系统表现出强烈的偏差仿射行为，这些异常控制的刚性过渡作为应变的函数。
2018-12-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Fracture of dual crosslink gels with permanent and transient crosslinks
我们已经进行了系统的断裂实验，在一个单一的边缘切口的几何形状在一个范围内的拉伸率的双交联水凝胶由聚乙烯醇链与戊二醛化学交联和物理交联与硼酸根离子。如果裂纹扩展所需的能量释放率按常规计算，通过使用所做的工作，使样品变形到裂纹扩展的拉伸$λ_c$的临界值，我们发现，断裂能$Γ$的峰值附近$λ\sim 0.001 s^{-1}$，然后急剧下降，随着拉伸速率的增加，在矛盾的裂纹速度的测量。结合模拟和实验观察，因此，我们在这里提出了一个通用的方法来分离的能量消耗在加载过程中裂纹扩展之前，从裂纹扩展过程中消耗。对于快速加载速率（特征应变速率仅略低于物理键的典型断裂时间的倒数），这种估计裂纹扩展开始时的局部能量释放速率$g_{local}$的改进方法给出了恒定的局部断裂能$Γ_{local}$的值，与实验测量的裂纹扩展速度的恒定值一致。使用这种改进的方法，我们也得到了非常有趣的结果，即双交联凝胶在低加载速率下比在高加载速率下具有更高的断裂能值，与经典化学交联弹性网络的情况相反。
2016-06-29 cond-mat.soft
How Material Heterogeneity Creates Rough Fractures
断裂是材料磨损、弱化和失效的关键过程，其不可预测的行为可能会产生可怕的后果。虽然理想材料中光滑裂纹的行为已经很好地理解，但假设对于真实的非均质系统，断裂传播是复杂的，产生对介质的特定细节高度敏感的粗糙断裂表面。在这里，我们展示了如何通过一个简单的框架裂缝粗糙度和材料的异质性是密不可分的。研究水力压裂脆性水凝胶已补充微珠或甘油，以创建受控的材料异质性，我们表明，裂纹表面的形态仅取决于一个参数：扰动前面的概率超过临界尺寸，产生一个台阶状的不稳定。该概率与数量密度成线性比例，并作为异质性大小与$5/2$幂成线性比例。随后的行为是普遍的，并捕获的一维弹道传播和湮灭的步骤沿奇异的断裂前。
2022-06-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Failing softly: A fracture theory of highly-deformable materials
从基础和实践的角度来看，高度可变形的材料，从合成水凝胶到生物组织，都变得越来越重要。它们的力学行为，特别是断裂过程中裂纹扩展的动力学，尚未完全了解。在这里，我们提出了一个理论框架的动态断裂的高度可变形的材料，其中的动态裂纹的影响进行处理相对于非线性变形（预应力/应变），非开裂，状态的材料。在此框架内，我们推导出解析和半解析解的近端变形场和能量释放率的动态裂纹在不可压缩的neo-Hookean固体双轴和单轴载荷下传播。我们发现，适度大的预应力有显着的影响周围的裂纹尖端的应力场。我们通过对软脆性弹性体在一定范围内的加载水平和传播速度的断裂进行广泛的实验来验证这些预测，表明新开发的框架在适度大的外部载荷水平和高传播速度下比标准方法提供了更好的近似测量。这个框架应该是相关的软，韧性，但脆，材料的失效分析。
2015-03-24 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Size selection of crack front defects: Multiple fracture-plane interactions and intrinsic lengthscales
本文通过脆性水凝胶实验研究三维裂纹中台阶缺陷的尺寸选择，发现稳定化距离 h_max 随非线性弹性长度 Γ(v)/μ 和耗散长度 ξ 线性变化，为理解多重断裂面相互作用及离面断裂结构形成提供了内禀长度尺度依据。
2024-04-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft nlin.PS
How hidden 3D structure within crack fronts reveals energy balance
一个世纪以来，格里菲斯的能量准则或“能量平衡”一直是断裂力学的基础;流入裂纹前缘的能量与前缘的耗散（断裂能）精确平衡。如果裂纹前缘结构没有得到适当的考虑，能量平衡将失效或导致不切实际的结果。在这里，我们研究了拉伸载荷条件下的水凝胶中的低速裂纹扩展的二级结构的影响。我们首先证明这些裂纹是双稳态的;在相同的载荷条件下可以产生简单（没有二级结构的裂纹）或刻面裂纹状态（由沿着裂纹前沿传播的台阶形成）。任一裂纹状态的选择是由最初的“种子”裂纹的形式确定的;完美的种子裂纹产生简单的裂纹，而一个小的本地模式III组件产生裂纹前沿具有多个步骤。台阶粗化最终导致沿裂纹前沿传播的单个台阶。当它们演化时，台阶局部地改变裂纹前缘的瞬时结构和运动，破坏横向平移不变性。与简单裂纹相反，刻面裂纹可以，因此，不再被认为是存在于一个准二维系统。对于简单的和刻面裂纹，我们同时测量的能量通量和局部耗散沿这些裂纹前沿的速度，$v$，跨越$0<v<0.2c_R$（$c_R$是瑞利波速度）。我们发现，在裂纹前缘内的二级结构的存在下，能量平衡的实施必须推广到3D系统;刻面裂纹揭示能量平衡，只有当我们考虑到在沿裂纹前缘的每个点的局部动态耗散。
2022-01-24 cond-mat.soft
