Nonaffine rubber elasticity for stiff polymer networks
我们提出了一个理论的弹性交联刚性聚合物网络。刚性聚合物与柔性聚合物不同，是高度各向异性的弹性物体。与机械梁类似，刚性聚合物在弯曲时容易变形，而它们在拉伸力（“拉伸”）方面更硬。与以前的方法不同，网络弹性来自拉伸模式，我们的理论正确地解释了软弯曲响应。一个自洽的有效介质的方法是用来计算宏观弹性模量从微观表征的变形场的“软盘模式”-低能量弯曲激发，保持高度的非亲和性。表征出现的非亲和性的长度尺度由"纤维长度“$l_f$给出，定义为聚合物保持直的尺度。计算的剪切模量的标度特性与最近在二维模型网络中获得的模拟结果非常一致。此外，我们的理论可以应用于合理化散装流变学数据重构肌动蛋白网络。
2007-11-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Force distributions and force chains in random stiff fiber networks
研究了随机刚性纤维网络的弹性问题。纤维的弹性响应的特征在于中心力拉伸刚度以及横向于纤维轮廓作用的弯曲刚度。以前的研究表明，该模型显示出一个异常的弹性制度，其中的拉伸模式是完全冻结和弹性能量是完全由弯曲模式占主导地位。我们证明了模拟和缩放参数，在弯曲为主的\emph{elastic energy}，同样重要的\emph{elastic forces}在很大程度上拉伸为主。通过在微观、介观和宏观尺度上表征这些力，我们发现了力在网络中如何传递的两种机制。虽然小于阈值$F_c$的力被均匀的背景介质有效地平衡，但大于$F_c$的力被发现在整个样品中不均匀地分布，从而引起从颗粒介质已知的高度局部化的力链。
2007-10-02 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
A coordination-based approach to elasticity of floppy and stiff random networks
本文以二维随机谐弹簧网络为模型系统，研究了非晶系统的线性和非线性弹性行为中连通性的作用。这些系统的一个自然特征是相对于均衡网络$δz$的网络协调;软网络具有$δz<0$，而硬网络具有$δz>0$。在外加载荷的影响下，我们观察到，软网络和刚性网络的响应由相同的临界点控制，对应于刚性的开始。我们使用数值模拟计算的指数表征的剪切模量，非仿射位移的振幅，和网络硬化作为$δz$的函数，推导出这些理论和预测的玻璃和纤维网络的机械响应。
2008-06-27 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Effects of coordination and stiffness scale-separation in disordered elastic networks
本文通过数值研究二维无序弹性网络的刚度尺度分离效应，揭示其力学响应由刚性子系统非声子软模与软相互作用的刚度竞争主导，建立了软相互作用区剪切模量等物理量的关系，对理解纤维生物物质非线性力学有意义。
2024-05-21 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Programming strain-stiffening in soft composites via structural memory near jamming
The Hong Kong University of Science and Technology（香港科技大学）；Chinese Academy of Sciences（中国科学院）；Université de Montpellier（蒙彼利埃大学）
研究通过接近阻塞相边界的机械训练协议，揭示结构记忆驱动软复合材料从颗粒状到生物聚合物状应变刚性的转变，提出非平衡记忆效应驱动的可编程应变刚性设计策略。
2026-04-22 cond-mat.soft
Normal stresses, contraction, and stiffening in sheared elastic networks
当弹性固体受到剪切时，以坡印廷命名的非线性效应会引起法向应力或体积变化。我们提供了一个新的坡印廷效应和微观Grüneisen参数，它量化了如何伸缩移动振动模式之间的关系。通过将这种关系应用于随机弹簧网络，例如，生物聚合物凝胶和固体泡沫，我们发现网络收缩或产生张力，因为它们在拉伸时振动得更快。坡印廷效应的幅度对网络的线弹性模量敏感，可以通过其制备协议和连接性进行调整。最后，我们表明，坡印亭效应可以用来预测有限应变尺度下的材料剪切硬化。
2018-04-13 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Scaling theory of critical strain-stiffening in disordered elastic networks
本文基于奇异摄动理论提出无序弹性网络临界应变刚化的完整标度理论，推导非线性标度关系并揭示新的特征应变尺度，且与生物聚合物网络数值数据定量吻合。
2023-07-13 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Stiffer double-stranded DNA in two-dimensional confinement due to bending anisotropy
采用解析方法和Monte-Carlo（MC）模拟方法，研究了具有弯曲各向异性的本征扭曲弹性带（如双链DNA）在二维约束下的弹性行为.我们发现，由于弯曲各向异性，在二维构象的双链DNA的持久长度总是大于三维构象。这一结果与相同生物学条件下二维和三维DNA持久长度的测量值一致。我们还表明，在2D中，各向异性，固有扭曲的聚合物表现出一个隐含的扭曲弯曲耦合，这导致扭结形成与半螺旋转向周期性沿弯曲的聚合物。
2016-08-05 cond-mat.soft
Elasticity and Plasticity in Stiff and Flexible Oligomeric Glasses
在本文中，我们专注于低聚物玻璃（蜡）的机械性能，采用微观模型，提供，通过数值模拟，信息有关的剪切模量的这种材料，通过塑性不稳定性的故障机制和低聚物本身的几何响应的机械载荷。我们提出了一个微观理论，解释了数值观察到的现象，包括剪切模量和塑性不稳定性的精确理论，本地和系统跨越。此外，我们提出了一个模型来解释的几何变化的寡聚链下增加应变。
2014-07-07 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Stiff Polymers, Foams and Fiber Networks
本文研究了由广义刚性聚合物组成的纤维材料的弹性。结果表明，在对比蜂窝泡沫状结构仿射应变场一般是不稳定的。相反，网络的结构和其构建块的弹性性质之间的微妙相互作用导致了具有中间渐近标度制度的有趣的机械性质。我们提出了详尽的数值研究的基础上补充的比例参数的有限元方法。
2005-03-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Segregation by membrane rigidity in flowing binary suspensions of elastic capsules
本文研究了在平面狭缝中受压力驱动流动的含有Neo-Hookean胶囊二元混合物的悬浮液在壁面法线方向上的空间偏析。二元混合物的两种组分具有不等的膜刚度。这个问题进行了数值研究，使用加速执行的边界积分法。各种参数的影响进行了研究，包括毛细管数，刚性比之间的两个物种，体积分数，约束比，和更多的软颗粒$X_f$在混合物中的数量分数。据观察，在纯物质的悬浮液中，刚性和柔性颗粒的平均壁法线位置是相当的。然而，在混合物中，发现刚性颗粒随着$X_f$的增加而越来越多地向壁移位，而发现软颗粒随着$X_f$的减少而越来越多地在中心线附近积聚。这种隔离的起源被追踪到的效果的数量分数$X_f$上的刚性和软颗粒在近壁区域的本地化-的概率逃逸的刚性颗粒从近壁区域的内部大大减少与增加$X_f$，而完全相反的趋势是观察到一个软颗粒与减少$X_f$。简单的模型研究涉及一个刚性和一个软粒子的异质对碰撞的机制解释了这一观察。这些研究中的关键结果是，刚性粒子经历了更大的横流位移比软粒子在非均匀碰撞。本文提出了一个统一的机制，它包括壁诱导的可变形粒子迁移和与异质和同质对碰撞相关的粒子通量。
2011-12-23 cond-mat.soft
Crosslinked networks of stiff filaments exhibit negative normal stress
最近的实验表明，刚性生物聚合物凝胶表现出非常不寻常的负法向弹性应力的动机，我们开发了一个计算模型，刚性聚合物网络受到大应变。在所有的情况下，我们发现，这样的网络开发正常的压力，都是负的和相应的剪切应力的大小相媲美。我们发现，这些正常的应力与我们的网络中的其他非线性，特别是与压缩屈曲的个别细丝。我们的研究结果表明，负的正应力是一个特性的硬（生物）聚合物凝胶，已被证明具有很强的非线性弹性性能。
2008-07-11 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Parallel Emergence of Rigidity and Collective Motion in a Family of Simulated Glass-Forming Polymer Fluids
本研究针对模拟玻璃态聚合物流体冷却时的弹性变化问题，通过多种刚度表征方法，揭示了 emergent 弹性增长与集体运动的直接关联，建立了宏观与分子尺度刚度的定量关系并探讨了相关热力学标度。
2023-06-13 cond-mat.soft
Multiscale Decoupling in Peptide-Membrane Interactions: From Elastic Softening to Domain-Mediated Stiffening
Bhabha Atomic Research Centre（巴巴原子研究中心）；Homi Bhabha National Institute（霍米·巴巴国家研究所）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）；Shiv Nadar Institution of Eminence（希夫·纳达尔卓越机构）
本研究通过多种中子散射技术发现，抗菌肽aurein对膜力学性质的影响取决于膜组成：在DMPC中引起渐进软化，在含PG的膜中先软化后硬化，并揭示分子扩散与集体刚度在多尺度上的解耦。
2026-10-08 cond-mat.soft
Elastic regimes of sub-isostatic athermal fiber networks
无序纤维网络的非热模型对于研究由刚性生物聚合物组成的弹性网络的力学非常有用。底层网络结构是影响这些系统弹性特性的一个关键方面，这些系统包括丰富的线性和非线性弹性。现有的计算方法都集中在基于晶格和非晶格网络从随机放置的杆。这是不明显的，先验的，无论是两个架构有根本相似或不同的机制。如果它们是不同的，那么不清楚哪一个代表了生物网络的更好模型。在这里，我们表明，这两种方法基本上是等效的相同的网络连接，提供的网络是次均衡相对于中心力的相互作用。此外，对于一个给定的亚均衡连接，我们甚至发现，基于晶格的网络在2D和3D表现出几乎相同的非线性弹性响应。我们提供了一个描述的线性力学的两个架构的缩放函数。我们还表明，非线性政权是由纤维弯曲和硬化源于亚均衡网络的稳定应力。我们提出了一个广义的关系，这个政权的自生法向应力下发展的变形。不同的网络结构对正应力有不同的敏感性，但本质上表现出相同的非线性机制。这种硬化机制已被证明成功地捕获胶原网络的非线性力学。
2015-12-24 cond-mat.soft
Flow-Induced Buckling of Elastic Microfilaments with Non-Uniform Bending Stiffness
屈曲在斯托克斯流体中弹性微丝的输运和动力学中起着关键作用。然而，以前的工作只考虑具有均匀结构特性的长丝。在许多生物系统中，如微管，细丝骨架刚度可能是不均匀的，其中蛋白质的缔合和解离可能导致结构的空间和时间变化。这些纤维的构型稳定性和运输中的这种不均匀性的后果尚不清楚。在这里，我们使用细长体理论和Euler-Bernoulli弹性加上各种非均匀的弯曲刚度配置文件，以量化这种屈曲不稳定性，使用线性稳定性分析和布朗模拟。在剪切流中，我们在模拟中观察到刚度降低的区域中更明显的屈曲。这些领域的显着变形引起的差异，在颗粒额外的应力，表明一个不平凡的流变反应，由于这些细丝的存在。每个刚度剖面所产生的基本振型与我们的线性稳定性分析的预测一致。总的来说，这些结果表明，不均匀的弯曲刚度可以大大改变流体-结构相互作用在生理相关的设置，提供了一个基础，以阐明流体力学和生物聚合物的结构特性之间的复杂的相互作用。
2022-06-24 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Thermal stiffening of clamped elastic ribbons
本文用分子动力学研究了两端固定的二维热起伏弹性膜的振动。我们直接提取的谐振峰的频率域中的随时间变化的高度的本征模式和测量相应的本征频率上的膜的微观弯曲刚度的依赖性，同时照顾的微妙的作用，热收缩时产生的张力的投影面积是固定的。在有限的温度下，我们表明，有效的（宏观）弯曲刚度往往是一个常数的裸弯曲刚度消失，一致的理论论据，即膜的大规模的弯曲刚度产生从一个强大的热重整化的微观弯曲刚度。实验实现包括共价键合的二维原子薄膜如石墨烯和二硫化钼或软物质系统如红细胞的血影蛋白骨架或二嵌段共聚物。
2017-02-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Mechanics and force transmission in soft composites of rods in elastic gels
我们报告了详细的理论研究的微观力学和体弹性性能的复合材料组成的随机分布的刚性纤维嵌入在弹性矩阵中的二维和三维。最近发表在Physical Review Letters [102，188303（2009）]中的实验表明，在较软的、几乎不可压缩的生物聚合物基质中包含刚性微管可导致出现可压缩性。这可以理解为，由于添加了刚性杆状夹杂物，复合材料的压缩性相对于其剪切柔量的增强。我们表明，这样的复合材料的泊松比$ν$的发展与增加杆密度朝向一个特定的值，或{ \em不动点}，独立的矩阵的材料特性，只要它具有有限的初始压缩性。这个固定点在三维中是$ν=1/4$，在二维中是$ν=1/3$。我们的研究结果表明，在细胞力学中的刚性丝，如微管和应力纤维的重要作用。同时，我们的工作具有更广泛的弹性背景，具有潜在的应用于复合弹性介质，其组分的刚度具有广泛的尺度分离，例如碳纳米管-聚合物复合材料，其已被证明具有高度可调的力学。
2011-04-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
Buckling of elastic filaments by discrete magnetic moments
我们研究了一个理想化的半柔性细丝的屈曲，沿其轮廓放置磁矩。{We给出了磁压缩引起的灯丝临界刚度的解析表达式。为此，我们考虑各种方案的磁性粒子的灯丝的附件。这种模型的一个可能的应用是趋磁细菌的磁小体链。临界抗弯刚度的估计值表明，屈曲可能发生在生物学相关参数范围内，并表明细丝抗弯刚度在稳定细丝抗屈曲方面的作用，这将损害所用细丝抗弯刚度的功能相关性。
2017-10-03 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.class-ph
Micromechanical theory of strain-stiffening of biopolymer networks
纤维蛋白或胶原网络等丝状生物材料在大变形时表现出其弹性模量的巨大硬化。这种明显的非线性行为源于与弯曲和拉伸材料组成元素相关的刚度尺度之间的显著分离。在这里，我们研究一个简单的模型，这种材料-软网络的铰链刚性杆嵌入在弹性矩阵-其中的有效比弯曲拉伸刚度为零。我们引入了一个理论框架，并建立在它的基础上，构建一个数值方法，该模型的微观和宏观力学可以仔细研究。我们的模型，数值方法和理论框架，使我们能够稳健地观察和充分理解的非热应变硬化过渡的关键属性，基础的非线性力学响应的广泛的一类生物材料。
2019-05-20 cond-mat.soft physics.bio-ph
Insights into elastic properties of coarse-grained DNA models: q-stiffness of cgDNA vs. cgDNA+
本文利用傅里叶空间刚度矩阵方法对比了cgDNA与cgDNA+模型，发现cgDNA+能准确重现全原子模型的长尺度弹性，而cgDNA在长尺度扭曲刚度上存在显著偏差。
2024-01-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech q-bio.BM
Strain Stiffening Induced by Molecular Motors in Active Crosslinked Biopolymer Networks
我们通过将分子马达建模为力偶极子，研究了具有柔顺和刚性交联的肌动蛋白网络的弹性响应。我们的有限元模拟表明，对于顺应性交联剂，如细丝蛋白A，网络可以被硬化两个数量级，而硬化实现与不顺应性的链接，如scruin是显着较小，通常是一个因素的两个，在最近的实验非常一致。我们表明，差异产生的事实，即电机能够拉伸的顺应性交联到最大可能的程度，这反过来又导致变形的长丝。随着施加的应变增加，细丝进一步变形，导致硬化的弹性响应。当交联不顺从时，由于马达引起的收缩力不会以显著的方式改变网络形态，因此仅观察到小的硬化。
2010-09-02 cond-mat.soft physics.bio-ph
Thermoresponsive stiffening with microgel particles in a semiflexible fibrin network
我们报告的温度响应性软复合材料的半柔性生物聚合物网络（纤维蛋白）含有分散的微凝胶胶体颗粒的聚（N-异丙基丙烯酰胺）（pNIPAM），经历一个热驱动的去溶胀转变以上的低临界溶解温度（LCST）。与标准的聚合物-颗粒复合材料不同，减少颗粒的内含物体积（通过增加温度）伴随着复合材料的整体弹性刚度的显著增加。我们观察到这样的行为在一个广泛的组成空间。复合材料的弹性剪切模量在25-35°C的微小温度变化下可逆地硬化高达10倍。在隔离中，纤维蛋白网络和微凝胶悬浮液都随着温度的升高而软化，使得复合材料的硬化特别显著。我们假设硬化是由吸附在纤维蛋白丝上的微凝胶颗粒收缩并改变半柔性网络的结构引起的。我们开发了两个唯象模型，以物理上不同的方式量化这一假设，并且导出的预测与我们的实验数据定性一致
2019-01-04 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Conformation-Induced Stiffening Effect of Crosslinked Polymer Thin Films
纳米聚合物薄膜广泛应用于能源、柔性电子和生物传感器等领域，其良好的机械性能对实现其全部功能至关重要。已经证明，聚合物薄膜的弹性性能通常受到其厚度的强烈影响;然而，这种现象的潜在机制，特别是在微观水平上的透彻理解，尚未实现。本文建立了一个基于粗粒分子动力学（CGMD）的计算框架，并结合实验验证，旨在揭示交联聚合物薄膜硬化行为的构象起源。通过对聚合物网络结构进行系统控制，我们发现双轴模量的变化基本上是聚合物构象改变的结果。然后，提出了一个统一的理论，定量地澄清系统的弹性性能和链端到端距离的分布变化之间的相关性，预测一个显着的硬化效应的顶部上的传统的熵弹性与大部分展开的链。采用由建模启发的处理协议，我们的实验表明，在近似相同的厚度的PDMS膜可能会表现出两个数量级的差异，其模量。实验和模拟之间的良好协议说明我们的研究结果作为一个有效的指导方针，定制的弹性性能的聚合物薄膜在纳米级。
2022-06-28 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Optimal mechanical interactions direct multicellular network formation on elastic substrates
在组织形态发生过程中，细胞自组织成功能性的有序结构，这是一个使人联想到胶体自组装成工程软材料的过程。了解细胞间的机械相互作用如何驱动有序和功能性多细胞结构的形成在发育生物学和组织工程中非常重要。在这里，通过结合弹性基板上的收缩细胞与内皮细胞培养实验的基于代理的模型，我们表明，基板变形介导的细胞之间的机械相互作用可以集群和对齐成分支网络。受血管生成网络的结构和功能的启发，我们预测了如何测量网络连接，如渗流和分形维数，以及局部形态特征，包括路口，分支和环取决于细胞收缩性和密度，并对基板的弹性性能，包括刚度和压缩性。我们预测和实验证实，细胞网络的形成是基板的刚度依赖，是最佳的中间刚度。总的来说，我们表明，长距离，机械相互作用提供了一个最佳的和一般的多细胞自组织的策略，导致更强大和更有效的实现空间跨越网络，而不仅仅是通过本地细胞间的相互作用。
2023-01-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Propulsion by stiff elastic filaments in viscous fluids
在自然界的微观世界中，在粘性流体中运动的柔性细丝是普遍存在的。例如，细菌和精子的游动以及器官水平的重要生理功能，如纤毛诱导的肺中粘液运动，或单个细胞水平的活动，如肌动蛋白丝或微管，都使用在粘性流体中移动的柔性丝。作为流体-结构相互作用的结果，在这种移动的柔性细丝的动力学中可能出现各种非线性现象。在本文中，我们推导出所需的数学工具，研究被动驱动推进的渐近极限刚性细丝。在刚性极限中的运动导致流体动力学载荷，其使灯丝变形并影响灯丝推进。我们首先推导出一般的数学公式，然后将其应用到螺旋丝的情况下，相关的游泳的鞭毛细菌和人工，磁驱动电机的运输的情况。我们发现，作为灵活性的结果，螺旋丝是拉伸或压缩（符合以前的研究），其轴也弯曲，一个新的结果，我们解释物理。然后，我们探索和解释的扰动推进速度的依赖性，由于变形的相关无量纲的动力学和几何参数。
2019-04-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Dynamical elastic contact of a rope with the ground
绳索铺设在地面上的一端进行时间依赖性的强制提出了一个原型的弹性动力接触问题，我们研究分析，数值和实验。动力学是由一个无限的线性和非线性共振。在弱弯曲刚度的极限下，发现基频与绳索张力无关。无辐射状态和波辐射状态之间的转变经由一系列掠射分叉发生，由此在绳索和地面之间形成新的接触。掠射分叉在频率-振幅参数空间中形成重叠的Arnold舌。最后，对于具有大弯曲刚度的绳索，当几何非线性很重要时，在几个兴波状态之间观察到双稳定性。
2021-03-26 cond-mat.soft nlin.CD
Multi-scale strain-stiffening of semiflexible bundle networks
成束的聚合物细丝负责许多生物材料，包括细胞和细胞外基质的丰富和独特的力学行为。在纤维蛋白生物聚合物中，其非线性弹性特性对于正常血液凝固至关重要，原纤维自组装并成束以形成半柔性纤维网络。在这里，我们表明纤维蛋白网络的非凡应变硬化反应直接反映了纤维蛋白纤维的分层结构。我们测量的未捆绑的原纤维网络的流变学，并找到良好的协议与仿射模型的可扩展蠕虫状聚合物。通过与这些数据的直接比较，我们表明，由粗纤维组成的生理纤维蛋白网络可以建模为紧密的原纤维束网络。我们证明，在纤维中的原纤维之间的耦合的紧密性可以通过凝血因子XIII的酶促分子间交联的程度来调节。此外，在高应力下，原纤维独立地贡献于网络弹性，这可能反映了紧密束结构的解耦。因此，纤维蛋白纤维的分层结构可以解释血凝块的非线性和巨大的弹性恢复特性。
2015-09-14 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
