On a Coarse-Graining Concept in Colloidal Physics with Application to Fluid and Arrested Colloidal Suspensions in Shearing Fields
我们对复杂流体和一般无定形物体的宏观性质了解甚少。这主要是由于不同层次和长度尺度的现象之间的相互作用。特别是，微观层次（由直接相互作用主导）与连续统描述起作用的层次不一定一致。这通常是在存在结构不均匀性的情况下，结构不均匀性是紧密堆积以下物质的所有结构无序状态所固有的。因此，对流体或被捕无序状态的外部场的宏观响应还没有很好地理解。为了解开这种复杂性，在这项工作中，我们建立在一个简单但似乎强大的概念。这可以概括如下：结构不均匀性的介观长度尺度被假定为有效构建块的特征长度尺度，而初级粒子的自由度被积分出来。理论结果来自，在目前的工作中，宏观响应的流体和动态逮捕模型胶体态在剪切场。粗粒度理论的预测和原则的适用性进行了测试，与原始的模拟和实验数据进行比较。
2010-04-13 cond-mat.soft
Predicting plasticity in disordered solids from structural indicators
非晶态固体缺乏长程序。因此，确定结构缺陷-类似于晶体固体中的位错-在这些系统中进行塑性流动仍然是一个艰巨的挑战。通过比较玻璃计算模型中的许多不同的结构指标，在各种条件下，我们仔细评估这些指标中的哪些能够稳健地识别负责非晶态固体中的塑性流动的结构缺陷。我们进一步证明，缺陷的密度变化作为材料制备和应变的方式，是高度相关的宏观材料响应的函数。我们的工作代表了从微观结构预测非晶态固体如何以及何时失效的重要一步。
2020-11-23 cond-mat.soft
On the Formation of Equilibrium Gels via a Macroscopic Bond Limitation
限制流体中颗粒之间形成的有吸引力的物理“键”的数量，抑制了通常的分层相变到非常低的颗粒浓度，允许形成开放的、分散的和均匀的状态，适当地称为平衡或“空”凝胶。这个概念的大多数演示通过各向异性（斑片状）吸引力直接限制了微观粒子的价态;然而，另一种宏观价态限制对于更大的实验可调性和响应性是可取的。本文探讨的一种可能性是采用初级粒子，通过二级连接粒子介导的吸引力。在这样的系统中，连接体与初级粒子的比率用作平均微观价态的宏观控制参数。我们表明，Wertheim的一阶微扰理论预测的这样一个系统的相行为是一致的平衡凝胶的形成：在低和高的链接到初级粒子的比例显着抑制对应于两相分层过渡的初级粒子浓度。广泛的分子动力学模拟验证了这些理论预测，但也揭示了存在的键合粒子，这是在理论中被忽略的环。这样的循环导致致密化和抑制渗滤，因此相对于Wertheim理论预测，可行的空凝胶状态条件的范围稍微减小。
2016-07-28 cond-mat.soft
Measuring and upscaling micromechanical interactions in a cohesive granular material
无序非均匀介质的力学性质一般取决于多个长度尺度之间的复杂相互作用。因此，在这种材料中，将局部相互作用与宏观可观测量（如刚度或断裂）联系起来是一个挑战。在这里，我们研究了由软聚合物桥连在一起的玻璃珠组成的粘性颗粒材料的性质。我们使用基于柔性微量移液器偏转的装置，研究了单桥在牵引和剪切作用下的机械响应。这些测量，以及来自颗粒填料的X射线显微照片的信息，然后通知大规模离散元模型（DEM）模拟。虽然简单，但这些模拟在各个方面都受到经验测量的约束，并准确预测骨料的机械响应，包括其压缩失效的细节，以及材料的刚度如何取决于其部件的刚度和几何形状。通过演示如何准确地将微观信息与宏观性质联系起来，这些结果为预测复杂无序材料（如多孔岩石、雪或泡沫）的行为提供了新的视角。
2021-03-25 cond-mat.soft
Laws of Granular Solids. Geometry and Topology
在粒状固体中，机械平衡需要在无序颗粒尺度上的力的微妙平衡。为了理解这种非晶态固体的宏观刚性是如何出现的，我们必须理解牛顿定律是如何从无序颗粒尺度过渡到实验室尺度的。在这项工作中，我们介绍了一个精确的离散微积分，其中牛顿定律出现在一个单一的粮食规模的微分关系。使用这种演算，我们引入规范变量描述相同的力和力矩平衡的配置。在第一个内在公式中，我们使用接触网络的拓扑结构，而不是它的几何结构。在第二个，外在的制定，我们介绍几何与Delaunay三角剖分。这些公式显示，与精确的方法，拓扑和几何形状在无序介质中是如何相关的约束。特别是，我们推导出艾里的表达式的发散自由，对称应力张量在二维和三维。
2011-10-14 cond-mat.soft
Crystalline shielding mitigates structural rearrangement and localizes memory in jammed systems under oscillatory shear
应力作用下非晶态材料的屈服性质尚未完全阐明。特别是，了解微观重排如何引起宏观结构和流变学签名的无序系统是至关重要的预测和表征的产量和记忆是如何存储在无序材料的研究。在这里，我们调查的局部结构的均匀性在一个单独的颗粒水平上的非晶堵塞的二维系统振荡剪切下的演变，并与这种演变的重排，记忆，和宏观流变测量。我们确定了一个新的结构度量，结晶屏蔽，这是预测的重排倾向和剪切下的单个粒子的结构波动性。我们使用这个指标来确定局部区域的系统中，材料的记忆，其准备保存。我们的研究结果有助于不断了解如何本地结构与动态响应和记忆在无序系统。
2020-08-14 cond-mat.soft
An analysis of the far-field response to external forcing of a suspension in Stokes flow in a parallel-wall channel
蠕动流条件下平行壁通道中颗粒产生的首阶远场散射流具有由二维偶极压力分布驱动的抛物线速度场形式。我们表明，在一个系统中的流体动力学相互作用的粒子，压力偶极子有助于宏观悬浮液流以类似的方式作为诱导的电偶极子有助于静电位移场。利用这一结果，我们推导出宏观方程的作用下的横向力，横向扭矩或宏观压力梯度的通道中的悬浮液运输。本构关系中的线性输运系数矩阵将外力与颗粒和流体通量联系起来，满足Onsager倒易关系。的传输系数进行评估的正方形和六边形的固定和自由悬浮的颗粒的周期性阵列，并提出了一个简单的近似的克劳修斯-莫索蒂形式的通道渗透系数。我们还发现明确的表达式，用于评估的周期性格林函数之间的两个平行壁斯托克斯流。
2008-08-13 cond-mat.soft
On the microscopic origin and macroscopic implications of lane formation in mixtures of oppositely-driven particles
在相反方向上驱动的两种类型的胶体颗粒可以分离成泳道[Vissers等人，软物质7，2352（2011）]。这种现象可以通过模型粒子的二维布朗动力学模拟来再现[Dzubiella等人，Phys.Rev.E65，021402（2002）]。在这里，我们使用计算机模拟来评估车道形成相对于颗粒类型和动态协议的变化的一般性。我们发现，拉宁的结果从整流扩散的尺度上的颗粒直径：相反驱动的粒子必须，在所花费的时间遇到对方的方向上的驱动器，扩散在垂直方向约一个颗粒直径。这种几何约束意味着，在存在相反类型的粒子的情况下，粒子的扩散常数随着Peclet数近似线性地增长，这一预测由我们在模型参数范围内的数值证实。这种依赖于环境的扩散在统计上类似于有效的粒子间吸引;与此观察一致，我们发现相反驱动的非吸引胶体显示具有粒子间吸引和持续运动的最简单模型系统的特征，驱动的伊辛格子气[Katz，Leibowitz，Spohn，J. Stat. 34，497（1984）]。这些特征包括无序状态中的长程相关性，以及临界状态，其特征是粒子流的斜率随佩克莱特数的变化以及随系统大小而增长的波动。以此类推，我们认为在宏观极限下，驱动胶体系统中泳道的形成是一种相变，但从无序初始条件开始，在有限时间内不会发生宏观相分离。
2016-08-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Topological Linking Determines Elasticity in Limited Valence Networks
本研究结合流变学、共聚焦成像与分子动力学模拟，发现DNA纳米星水凝胶中环状基序间的拓扑交联在较高浓度下主导其弹性响应，揭示了“拓扑弹性”这一被忽视的机制。
2025-01-31 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Linking scalar elastodynamics and non-Hermitian quantum mechanics
近年来，从量子理论到弹性动力学（一种从现象学角度描述材料随时间变化的宏观响应的理论），出现了一种令人着迷的思想融合。在这里，我们打开了从非厄米量子力学转移额外工具的途径。首先，我们确定一维弹性动力学方程和时间无关的薛定谔方程之间的差异和相似之处，并找到两者是等价的条件。随后，我们展示了应用非厄米微扰理论来确定弹性系统的响应;计算泄漏模式和能量衰减率在异质固体与开放边界使用量子力学的方法;和建设这些组件的频谱简并。后一个结果具有技术重要性，因为它引入了一种方法，通过在简单的弹性系统中设计它们，来利用与非厄米简并性相关的非寻常波现象用于实际设备。作为这样的应用程序的一个例子，我们演示了如何组装的弹性板，根据我们的计划设计有两个简并剪切状态，可以用于质量传感与增强的灵敏度，通过利用独特的拓扑结构附近的例外点的简并。
2019-12-18 cond-mat.soft quant-ph
Nonlinear effective medium theory of disordered spring networks
无序的软材料，如生物环境中的纤维网络，表现出非线性弹性响应。我们研究了这种非线性行为的极小模型的网格几何形状与简单的虎克元素无序弹性常数。通过开发一个平均场的方法来计算微分弹性体模量的宏观网络响应的大的各向同性变形下，这样的网络，我们提供了深入了解这些系统的应变硬化和软化行为的起源。我们发现，非线性力学仅弱依赖于晶格几何，并由平均网络连接。特别是，非线性响应控制的均衡连接，这强烈依赖于所施加的应变。我们的预测的应变依赖的均衡点，以及应变依赖的微分体积模量同意以及在二维和三维的数值结果。此外，通过使用无序网络和具有随机力的规则网络之间的映射，我们计算了变形场的非仿射波动，并将其与数值结果进行了比较。最后，我们讨论了发展理论的局限性和影响。
2011-08-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Strain-controlled critical slowing down in the rheology of disordered networks
本研究针对无序网络等系统的刚性转变流变行为，提出非仿射性与过剩黏度的定量关系，经模拟验证并预测了生物聚合物网络应变硬化转变的临界流变特征。
2023-10-01 cond-mat.soft physics.bio-ph
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
Effects of inertia on the steady-shear rheology of disordered solids
本文采用二维分子动力学模拟研究了无序固体的有限剪切速率流变学。通过系统地改变阻尼大小$ζ$在低温极限，我们确定了两个定义良好的流态，由薄（温度依赖）的交叉区域分开。在过阻尼状态下，非热流变学受弹性力和粘性力之间的竞争控制，其比例给出了Weissenberg数$Wi= ζ\dotγ$（直到弹性参数）;宏观应力$Σ$遵循经常遇到的赫歇尔-巴尔克利定律$Σ= Σ\_0 + k \sqrt{Wi}$，屈服应力为$Σ\_0\textgreater{}0$。在欠阻尼（惯性）制度，在流变学的戏剧性变化，观察到低阻尼：流动曲线变得非单调。这种变化不是由较低阻尼下粒子动力学中较长寿命的相关性引起的;相反，对于弱耗散，样品由于驱动而显著升温，并与驱动成比例。通过适当的恒温或多或少欠阻尼系统，我们表明，它们的流变性只取决于他们的动力学温度和剪切速率，重新标度与爱因斯坦的振动频率。
2016-01-14 cond-mat.soft physics.class-ph
Dynamical behavior of disordered spring networks
本文采用键稀释的渗流模型研究了二维三角形晶格中弹簧网络的动力学流变特性。流体动力学相互作用通过网络节点和均匀变形液体之间的Stokesian粘性耦合来实现。我们的模拟表明，在临界连接状态下，这些系统显示出弱的幂律流变性，其中复数剪切模量随频率缩放为G^* ~（i * omega）^Delta，其中Delta = 0.41，与Delta = 1/2的平均场预测不一致。临界状态下的弱幂律流变学可以从宏观流变学和非仿射应变波动之间的简单标度关系来理解，对于均衡网络，非仿射应变波动随着频率的消失而发散。我们扩展的动态有效介质理论，表明它定量地描述了一个稀释的三角形晶格远离均衡的流变学，虽然EMT正确地预测近均衡网络的流变学的标度形式，仍然存在定量的差距，由于平均场性质的EMT。令人惊讶的是，通过将流变学的临界标度与应变波动的临界标度联系起来，我们发现无序弹簧网络的动力学行为完全由在没有粘性相互作用的情况下控制弹性网络行为的临界指数决定。
2013-04-25 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Rigid Graph Compression: Motif-based rigidity analysis for disordered fiber networks
利用颗粒尺度模型精确描述宏观行为中的性能增强和相变是复合材料材料科学中的一个主要工程挑战。为了解决其中的一些挑战，我们使用刚性的图论性质来模拟具有刚性棒状颗粒的复合材料中的机械增强。我们开发了一种高效的算法方法，称为刚性图压缩（RGC）来描述从软盘到刚性无序纤维网络（“杆铰链系统”），形成在许多复合材料系统的增强相的过渡。为了在坚实的理论基础上建立RGC，我们采用刚性拟阵理论来识别原始拓扑网络基序，这些基序作为将相互作用的刚性部件组成更大的刚性部件的规则。这种方法是计算效率和稳定的，因为RGC只需要拓扑信息杆相互作用（编码的稀疏未加权网络），而不是几何细节，如杆的位置或成对的距离（如刚性拟阵理论所要求的）。我们进行模拟的二维杆铰链系统的数值实验，以证明RGC密切接近刚性渗流阈值为这样的系统，通过比较卵石游戏算法（这是准确的二维）。重要的是，尽管卵石博弈是从拉曼条件推导出来的，并且只在二维中有效，但RGC方法自然地扩展到更高的维度。
2017-11-15 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
