Tunable corrugated patterns in an active gel sheet
活性物质局部地将化学能转化为机械功，因此，它提供了斑图形成的新机制。特别是，由蛋白马达和细丝制成的活性凝胶是远离平衡的系统，其表现出自发流动[Kruse 2004，Voituriez 2005]，导致二维和三维的主动湍流[Sanchez 2012，Kumar 2018]和三维的相干流[Wu 2017]（3D）。虽然这些动态流动揭示了一个特征的长度尺度之间的相互作用所产生的主动强迫和被动回复力，静态和长期的空间格局在活性凝胶的观察仍然难以捉摸。在这项工作中，我们证明了一个2D的独立的生物活性凝胶，自发形成的耗尽力从驱动蛋白马达和微管细丝的3D解决方案，积极地pronounced出平面到厘米大小的周期性波纹片，是稳定的几天在低活性。重要的是，波纹是在没有流动的情况下形成的，并且它们的波长和稳定性由马达浓度控制，与流体动力学理论一致。在较高的活动，这些模式是短暂的凝胶变得动荡在较长的时间。我们的研究结果强调了被动和主动力在形成活性凝胶中的重要性，并表明静态材料可以通过主动机制进行造型。
2019-04-19 cond-mat.soft
Active Cytoskeletal Composites Display Emergent Tunable Contractility and Restructuring
细胞骨架是一个典型的活性物质系统，控制着从分裂到运动的各种细胞过程。虽然这两个积极的肌动球蛋白动力学和肌动蛋白微管的相互作用是关键的细胞骨架的多功能性和适应性，了解他们的相互作用是缺乏。在这里，我们夫妇微观实验与机械建模，以阐明如何连接，刚性和力的产生影响新兴的材料特性在体外复合材料的肌动蛋白，微管蛋白和肌球蛋白。我们使用时间分辨微分动态显微镜和空间图像自相关显示，弹道收缩发生在具有足够的灵活性和电机密度的复合材料，但一个关键部分的微管是必要的，以维持受控的动态。我们的主动双网络模型表明，变性肌动球蛋白网络是必不可少的收缩，但具有可比的肌动蛋白和微管密度的网络可以独特地抵抗机械应力，同时支持大量的重组。我们的研究结果为设计受细胞因子启发的材料提供了急需的蓝图，这些材料将可调性与弹性和适应性结合起来。
2021-04-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Reversible Formation of Thermoresponsive Binary Particle Gels with Tunable Structural and Mechanical Properties
我们研究了悬浮的温敏微凝胶的集体行为，该微凝胶在加热时排出溶剂并随后减小尺寸。使用不同的温敏微凝胶的二元混合物，我们展示了如何明显不同的凝胶结构的形式，这取决于所使用的加热曲线。共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）成像显示，缓慢加热斜坡产生核-壳网络通过顺序凝胶化，而快速加热斜坡产生随机二元网络通过均质凝胶化。在这里，二次粒子被示出聚集在一个单层的方式上的第一凝胶，这可以通过布朗动力学模拟使用的模型的基础上的温度依赖性的相互作用势结合空间排斥和范德华吸引力定性地再现。通过振荡流变学，它表明，二次微凝胶沉积增强了先前形成的单一物种凝胶的结构完整性，和最终的结构表现出更高的弹性模量和损耗模量比其组成相同的同质凝胶对应。此外，我们表明，在二次微凝胶沉积之前的支架中的老化过程控制了bigel的最终结构特性，这允许对这些特性进行详细的控制。因此，我们的研究结果表明，温度分布可以用来精细地控制这些高度可调材料的结构和机械性能。
2019-04-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Active particles knead three-dimensional gels into open crumbs
本研究结合持续同调分析与模拟，发现活性粒子掺杂可使三维胶体凝胶形成高孔隙致密结构，且二维与三维体系的结构行为存在拓扑差异，为多孔介质构建及功能材料设计等提供新方向。
2024-04-11 cond-mat.soft
Swelling thermodynamics and phase transitions of polymer gels
我们提出了一个教学审查的溶胀热力学和相变的聚合物凝胶。特别是，我们讨论了如何凝胶的渗透平衡的体积相变的功能是类似于其他过渡所描述的二元混合物的平均场模型，和失败的这种类比在临界点，由于剪切刚度。然后，我们考虑在固定体积的相变，一个相对未开发的聚合物凝胶，导致在一个相分离的平衡，包括共存的富溶剂和溶剂贫乏的凝胶区域的范例。再次，凝胶的剪切刚度被发现有一个深刻的影响的相变，在这里导致宏观形状的变化，在恒定体积的样品，举例说明了可调屈曲的环形样品的聚合物凝胶。通过与极端力学进行类比，其中大的形状变化是通过机械不稳定性实现的，我们制定了极端热力学的概念，其中大的形状变化是通过热力学不稳定性实现的，即相变。
2019-06-12 cond-mat.soft
Photo-Switchable Cross-Linking in Polymer Gels: Effects on Surface Creasing and Network Relaxation during Swelling
本文针对香豆素交联凝胶网络级力学响应不明的问题，设计了含永久性共价和动态香豆素交联的PEG水凝胶，通过特定波长紫外光原位调节交联，揭示其对力学性能和表面起皱的影响，为自适应水凝胶提供设计原则。
2025-11-12 cond-mat.soft
Topological edge currents promote exploratory search in microtubule dynamic instability
Rice University（莱斯大学）；University College London（伦敦大学学院）；Yale University（耶鲁大学）
本文提出一个拓扑模型，通过动态边缘态再现微管帽的复杂行为，用两个自由参数简洁描述，并解析了灾难事件的机制，与实验观察一致。
2026-09-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Assembling Inorganic Nanocrystal Gels
无机凝胶保留了单个纳米晶体的独特性质，同时提供可调的网络结构依赖性特征。我们回顾了从胶体纳米晶体组装凝胶的不同机制，包括（1）控制去稳定化，（2）直接桥接，（3）耗尽，以及通过（4）配位键合或（5）动态共价键合介导的连接，我们强调了每种机制如何影响凝胶特性。这些方法使用微球表面化学或添加小分子来介导微球间的吸引。每种方法都提供了凝胶稳定性，可逆性或可调性方面的优势，并提出了新的机会，可重构材料和燃料组件的设计。
2021-12-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Geometry-Dependent Defect Merging Induces Bifurcated Dynamics in Active Networks
本研究通过实验与理论结合，发现活性微管-马达网络中缺陷合并取决于裂纹初始角度，存在临界角导致合并或张开的分叉动力学，并构建弹性杆模型预测该临界角。
2025-09-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Probing Large Deformation and Fracture Behavior of Physically Assembled Gel System by Varying Polymer Concentration
物理组装凝胶由于其可调的力学性能在许多领域有着广阔的应用前景。在这里，我们报告的物理凝胶体系的物理性质作为一个函数的聚合物体积分数（$ϕ$）由聚（苯乙烯）-聚（异戊二烯）-聚（苯乙烯）[PS-PI-PS]在矿物油。PI嵌段分子量高于缠结分子量，这导致PI嵌段在较高的$ϕ$下缠结。所有凝胶的胶束微观结构导致类似的应力松弛机制，如应力松弛结果的叠加所捕获的。拉伸实验表明，缠结凝胶的应变率依赖性的机械响应。为了捕获的临界能量释放率（$Γ_0$）的范围内的$ϕ$，空化流变和断裂实验进行，我们得到$Γ_0\simϕ^{2.0}$。凝胶模量与体积分数的比例为$ϕ^{2.39}$，其中指数可能由环-桥分数随$ϕ$增加的变化决定。
2020-03-29 cond-mat.soft
Characterizing emergent multiscale dynamics in colloidal nanoparticle gels
University of Michigan（密歇根大学）；University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）；University of Washington（华盛顿大学）；Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY（德国电子同步辐射中心）
本文综述了利用X射线光子相关光谱（XPCS）及互补技术表征纳米颗粒凝胶中多尺度动力学的方法，旨在建立纳米尺度相互作用与宏观网络性质之间的理论桥梁。
2026-06-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Statistical Properties of Autonomous Flows in 2D Active Nematics
我们研究了一个可调的二维有源液晶的动力学微管和驱动蛋白马达组成的限制在油-水界面。驱动蛋白马达通过ATP水解向系统中持续注入机械能，为相邻微管的相对微观滑动提供动力，从而产生宏观尺度的自主流动和混沌动力学。我们使用粒子图像测速技术来量化二维流动的主动向列相，并提取其统计特性。与流体动力学理论一致，我们发现包含混沌流的涡旋区域呈指数分布，这使我们能够提取特征系统长度尺度。我们探测这个长度尺度对ATP浓度的依赖性，ATP浓度是调节主动应力大小的实验旋钮。我们的数据表明，ATP浓度和主动应力之间的映射是基于Michaelis-Menten动力学，管理个别驱动蛋白电机的运动。
2019-09-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
Topology and Dynamics of Active Nematic Vesicles
工程合成材料，模仿生物体的显着复杂性是科学和技术的一个根本挑战。我们研究的时空模式时出现的活跃nematicfilm的微管和分子马达封装在一个形状变化的脂质囊泡。与平衡系统中的缺陷主要是静态结构不同，在活性向列相中，缺陷自发地移动，并且可以被描述为自推进粒子。活性、拓扑约束和囊泡变形性的结合产生了无数的动力学状态。我们强调两个动力学模式：一个可调的周期性状态，两个缺陷配置之间的振荡，和形状变化的囊泡与流filopodia样突起。这些结果表明，如何可以得到仿生材料时，拓扑约束用于控制非平衡动力学的活性物质。
2014-09-05 cond-mat.soft
Spindles and active vortices in a model of confined filament-motor mixtures
本文通过数值模拟受限离散细丝-马达蛋白模型，发现了纺锤体、星体和涡旋等结构的自发形成，揭示了压力、马达速度与密度对自组织状态的影响，并强调需进一步理解活性凝胶微观活动与宏观自组织间的联系。
2011-07-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Shear-induced gelation of self-yielding active networks
分子马达产生的主动应力驱动细胞骨架远离平衡，赋予其可调的机械特性，这些特性对于细胞分裂和运动等多种功能至关重要[1-5]。设计类似的仿生系统是创造能够模拟细胞功能的活性物质的关键先决条件[6-7]。这些长期目标需要了解电机产生的应力如何调整丝状网络的机制[8-11]。在基于微管的活性物质中，驱动蛋白马达产生可伸展运动，导致网络链接的持续断裂和重组[12]。我们研究了这种微观动力学如何改变网络的机械性能，揭示了网络粘度首先随着施加的剪切速率而增加，然后过渡回低粘度状态。通过调节分子马达的速度，可以控制非单调的剪切依赖粘度。一个两状态的唯象模型，结合液体和固体样元素定量相关的非单调剪切速率依赖的粘度，局部测量流量。这些研究表明，可伸展网络的流变学不同于先前研究的活性凝胶[13]，其中收缩性增强了机械刚度。此外，流体动力学相互作用的游泳者的连续模型没有捕获流动诱导的凝胶化[14-21]。活性相关的粘弹性的观察需要发展的软活性固体，其内在的活性应力的屈服或屈服的网络模型。
2020-04-29 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Motor-driven advection competes with crowding to drive spatiotemporally heterogeneous transport in cytoskeleton composites
细胞骨架--生物聚合物、分子马达和相关结合蛋白的复合网络--是活性物质的典型例子。粒子通过细胞骨架的运输可以从异常和不均匀的亚扩散到超扩散和平流。然而，概括和理解这些特性-普遍存在于细胞骨架和其他失衡的软物质系统-仍然具有挑战性。在这里，我们结合光片显微镜与微分动态显微镜和单粒子跟踪阐明异常和平流运输肌动球蛋白微管复合物。我们发现，粒子表现出多模式的运输，从显着的次扩散过渡到超扩散在可调的交叉时间尺度。令人惊讶的是，虽然较高的肌动球蛋白含量提高超扩散，它也显着增加了在短时间尺度的亚扩散的程度，并普遍减慢运输。相应的位移分布显示出非高斯性、不对称性和非零模式的独特组合，表明定向平流与笼状扩散和跳跃相结合。在更大的时空尺度上，粒子发生超扩散，通常随着肌动球蛋白含量的增加而增加，与正常的相反，但更快，没有肌动球蛋白的扩散。我们的具体结果揭示了重要的新的光之间的相互作用的非平衡过程，拥挤和异质性活跃的细胞骨架系统。更一般地说，我们的方法是广泛适用于活性物质系统，阐明跨尺度的运输和动力学。
2022-05-09 cond-mat.soft
Molecular motors stiffen non-affine semiflexible polymer networks
重构的丝状肌动蛋白网络与肌球蛋白马达蛋白形成活性凝胶，其中马达蛋白产生驱动网络远离平衡的力。这种运动活动也可以强烈影响网络弹性;实验表明，在体外网络与分子马达显着硬化。在这里，我们研究了电机产生的力对模拟的2D网络的无热刚性细丝力学的影响。我们将展示异质内部电机应力如何导致网络中的纤维弯曲模式所支配的硬化。电机被建模为力偶极子，导致肌肉样收缩。这些收缩“拉出”系统中的松弛弯曲模式，这引起向更硬的拉伸主导状态的交叉。通过这种机制，马达可以导致非线性网络响应，即使构成细丝本身是纯线性的。这些结果对活细胞的力学具有影响，并为具有可调机械性能的活性生物材料提出了新的设计原则。
2010-09-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
