J-shaped stress-strain diagram of collagen fibers: Frame tension of triangulated surfaces with fixed boundaries
我们目前的Monte Carlo数据的应力-应变图获得使用两种不同的三角形表面模型。第一种是Helfrich和Polyakov（HP）的正则表面模型，第二种是Finsler几何（FG）模型。实验观察到的应力-应变图的形状称为J形。实际上，该图在小应变区有一个平台，在相对大的应变区变成线性。由于这种高度非线性的行为，J形图远远超出了普通弹性理论的范围。因此，J形图背后的机制仍有待澄清，尽管人们普遍认为胶原蛋白的自由度起着至关重要的作用。我们发现，FG建模技术提供了一个粗粒度的图片之间的相互作用的胶原蛋白和散装材料。胶原蛋白分子或纤维的方向自由度的作用可以在FG建模的背景下理解。讨论了HP（FG）模型不能解释J形图的原因。
2017-04-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Stress controls the mechanics of collagen networks
胶原蛋白是各种结缔组织的主要结构和承重元素，在那里它形成支持细胞的细胞外基质。早已知道胶原组织表现出高度非线性的应力-应变关系（Fung YC，Am J Physiol 213（6），1967; Humphrey JD，Proc R Soc Lond A：Math Phys Eng Sci 459（2029），2003），尽管这种非线性的起源仍然未知（McMahon TA，Lec Math Life Sci 13，1980）。在这里，我们表明，重组I型胶原蛋白网络的非线性硬化是由所施加的应力控制，并且网络刚度变得令人惊讶的网络浓度不敏感。我们演示了如何一个简单的模型，弹性纤维网络可以定量地解释重建胶原蛋白网络的力学。我们的模型指出了法向应力在确定非线性剪切弹性响应中的重要作用，这可以解释胶原组织中报道的应力和应变之间的近似指数关系（Fung YC，Am J Physiol 213（6），1967）。这进一步提出了设计具有胶原蛋白样性质的合成纤维网络的新原理，以及控制这种网络的力学的机制。
2015-06-26 cond-mat.soft
Asymmetry of tensile vs. compressive elasticity and permeability contributes to the regulation of exchanges in collagen gels
本研究测量胶原蛋白凝胶在拉伸与压缩下的弹性与渗透率不对称性，发现该特性调节分子交换并影响药物运输。
2022-12-02 cond-mat.soft physics.bio-ph
Dissipation and recovery in collagen fibrils under cyclic loading: a molecular dynamics study
本研究通过修改粗粒化分子动力学模型，纳入交联重新形成，成功复现了胶原纤维在循环载荷下的耗散、残余应变积累及松弛恢复等关键实验特征，并强调了交联程度的重要作用。
2023-07-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Stress management in composite biopolymer networks
活组织对应变表现出非凡的适应性，这对它们正常的生物功能至关重要。这种机械行为的物理起源已被广泛研究使用胶原纤维，组织的主要承重成分的重组网络。然而，组织中的胶原纤维包埋在柔软的水合多糖基质中，这会产生大量的内应力，其对组织力学的影响尚不清楚。在这里，通过结合机械测量和计算机模拟，我们表明，胶原纤维和透明质酸基质组成的网络表现出协同力学的特点是增强刚度和延迟应变硬化。我们证明了多糖基质对复合材料的响应具有双重影响，包括内应力和弹性增强。我们的研究结果阐明了组织如何在很大范围内调整其应变敏感性，并为具有可编程机械性能的合成材料提供了一种新的设计原理。
2019-02-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
Mechanics of fiber networks under a bulk strain
生物聚合物网络在从单个细胞的细胞骨架到细胞外基质中的胶原蛋白的生物系统中是常见的。在某些情况下，这些系统在外加应变下的力学可以用从软态到刚性态的相变来解释。对于胶原蛋白网络，已经表明这种转变在本质上是关键的，并且预测在临界应变附近表现出发散波动，这取决于网络的连接性和结构。而以前的工作主要集中在剪切变形，更容易通过实验，在这里，我们研究了力学的应用散装或各向同性扩展下，这样的网络。我们证实，亚等静压纤维网络的体积模量表现出类似的临界行为作为体积应变的函数。我们发现不同的非平均场指数散装，而不是剪切。我们还证实了类似的超尺度关系，以前发现的剪切。
2022-07-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Strain-driven criticality underlies nonlinear mechanics of fibrous networks
只有中心力相互作用的网络在平均连通性低于均衡阈值时是松弛的。虽然这种网络在机械上是不稳定的，但它们在受到应力时会变得刚性。最近的研究表明，作为简单剪切应变的函数，从松弛状态到刚性状态的转变是连续的，具有临界性的标志性特征（Nat. Phys. 12，584（2016））。胶原网络的非线性力学响应被证明是定量描述的力学临界现象的框架内。在这里，我们提供了一个更定量的表征subisostatic网络的临界行为。使用有限尺寸标度，我们证明了在网络中的应变波动在定义良好的临界应变的发散。我们表明，对应于应变硬化的发病特征应变是不同的，但相关的临界应变的方式，取决于临界指数。我们通过实验证实了胶原蛋白网络的这一预测。此外，我们发现，表观临界指数在很大程度上是独立的空间维数。在一个高度简化的网络动力学计算模型中，我们还观察到临界应变附近的临界减速。与subisostaticity作为唯一需要的条件，应变驱动的临界性预计将是一个生物相关的纤维网络的一般特征。
2016-06-27 cond-mat.soft physics.bio-ph
Strain-controlled criticality governs the nonlinear mechanics of fibre networks
无序的纤维网络作为活细胞和组织的主要结构组分在自然界中普遍存在。网络的机械稳定性通常取决于连通性的程度：只有当节点之间的平均连接数超过均衡阈值时，网络才是稳定的（Maxwell，J.C.，哲学杂志27，294（1864））。在通过该点增加连接性时，这样的网络经历从松软相到刚性相的机械相变。然而，即使是亚均衡网络在受到足够大的变形时也会变得刚性。为了研究这种应变控制的过渡，我们进行了纤维网络的计算建模和I型胶原纤维网络的实验相结合，这对生物组织的完整性至关重要。我们从理论上表明，刚性的发展的特点是由应变控制的连续相变与签名的临界。我们的实验表明，与我们的模型，包括预测的临界指数的机械性能。我们发现，胶原网络的非线性力学可以定量捕获的缩放理论的预测的应变控制的临界行为在很宽的范围内的网络浓度和应变的材料失效。
2015-06-25 cond-mat.soft physics.bio-ph
Torsion and Bistability of Double-Twist Elastomers
本文研究双扭曲指向矢弹性体，揭示扭转与拉伸耦合的类Poynting效应，并指出自由旋转边界下约1%应变处的鞍结分岔与双稳态。
2023-08-11 cond-mat.soft physics.bio-ph
Machine learning-informed structuro-elastoplasticity predicts ductility of disordered solids
所有固体在足够高的机械负荷下屈服。在屈服点以下，所有无序固体的力学响应几乎是一样的，但在屈服点以上，每种不同的无序固体都以自己的方式响应。脆性系统可以在没有警告的情况下破碎，如普通的窗户玻璃，或者在断裂之前表现出应变局部化，如金属或聚合物玻璃。韧性系统，例如剃须膏等泡沫或蛋黄酱等乳液，可以无限流动，而不会产生应变局部化。虽然有调整应变局部化程度的经验策略，但没有解释其有效性或局限性的框架。我们发现，结构弹塑性（StEP）模型提供了微观理解应变局部化如何取决于结构，塑性和弹性的相互作用。
2023-03-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Structuro-elasto-plasticity (StEP) model for plasticity in disordered solids
用于固体对变形的响应的弹塑性格构模型通常仅通过分配给每个站点的局部屈服应变隐式地包含结构。然而，局部屈服应变可以响应于系统中的附近甚至远处的塑性事件而改变。这种相互作用是理解雪崩等现象的关键，在雪崩中，一个塑性事件可以触发另一个塑性事件，导致一连串事件，但通常在弹塑性模型中被忽略。为了包括相互作用，可以计算给定颗粒系统的局部屈服应变并跟踪其演变，但这是昂贵的，并且需要颗粒相互作用的知识，这通常很难从实验中提取。相反，我们引入了一个结构量“柔软度”，它是使用机器学习获得的，与即将发生的塑料重排相关。我们发现，柔软度也与局部屈服应变。我们将柔软度构建一个“结构弹塑性”模型，再现粒子模拟结果定量几个可观察到的数量，确认我们捕捉到的局部结构，塑性和弹性的相互作用对材料响应的影响。
2022-05-18 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Strain localization and failure of disordered particle rafts with tunable ductility during tensile deformation
对二维多分散颗粒筏状结构的无序固体模型进行了准静态拉伸实验。通过控制毛细管相互作用范围来调节延展性，毛细管相互作用范围随颗粒尺寸而变化。在拉伸试验期间，在弹性形变的初始阶段之后，应变局部化发生并且导致剪切带的形成，在该剪切带处支柱随后失效。在这个过程中，具有长程相互作用的小颗粒可以承受大的塑性形变而不会形成明显的空隙，而具有短程相互作用的大颗粒则会在小变形下破裂而急剧失效。粒子级结构进行了测量，应变局部化区域被发现具有较高的结构各向异性比散装。各向异性位点和颗粒重排之间的局部相互作用是驱动应变局部化和随后的破坏的主要机制，并且这种相互作用在延性和脆性行为之间存在显著差异。
2020-05-08 cond-mat.soft
Strain fluctuations and elastic moduli in disordered solids
最近，人们对使用视频显微镜技术来推断无序固体的局部力学性质的兴趣激增。一种常见的方法是使局部粗粒化体积中的粒子振动位移与最佳拟合仿射变形所产生的位移之间的差异最小化。然后，在假设该最佳拟合仿射变形张量的分量具有玻尔兹曼分布的情况下推断有效模量。在本文中，我们结合理论论证与实验和模拟数据，以证明上述并没有揭示信息的真实弹性模量堵塞的包装和胶体玻璃。
2015-08-24 cond-mat.soft
Effects of local incompressibility on the rheology of composite biopolymer networks
本研究结合二维粗粒化模型与胶原蛋白-透明质酸流变实验，揭示HA局部不可压缩性通过抑制胶原网络密度涨落，使复合网络线性剪切模量较纯组分提升约一个数量级。
2023-06-06 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Scaling theory for mechanical critical behavior in fiber networks
作为一个函数的连接，弹簧网络表现出一个关键的转变之间的软和刚性阶段的均衡阈值。对于低于这个阈值的连接，纤维网络最近在理论上显示出具有作为应变的函数的相应临界签名的刚性过渡。实验胶原蛋白网络也被证明与这些预测一致。我们开发了一个应变控制过渡的标度理论。使用实空间重正化方法，我们确定的临界指数之间的关系，我们验证了应变控制的过渡，使用数值模拟的三角形晶格为基础的和包装衍生的纤维网络。
2018-07-04 cond-mat.soft physics.bio-ph
Disorder is good for you: The influence of local disorder on strain localization and ductility of strain softening materials
我们制定了一个通用的概念模型的变形局部无序，宏观均匀的材料，经历不可逆的应变软化过程中塑性形变。我们调查的影响程度的微观结构的异质性和混乱的伴随应变局部化过程（形成的宏观剪切带）。结果表明，增加微观结构的不均匀性延迟应变局部化，并导致宏观应力-应变曲线的塑性区的增加。不断变化的应变局部化模式的特点和比较模型的剪切带形成在文献中发表。
2016-04-06 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Criticality in sheared, disordered solids. II. Correlations in avalanche dynamics
无序固体响应准静态剪切与间歇性雪崩的塑性活动，一个例子，在许多非平衡临界系统中观察到的爆裂噪音。无序固体内的活动的时间功率谱由三个不同的域：一个新的幂律上升与频率在低频表示的双线性关系，在中频的白噪声，和在高频的幂律衰减。随着应变率的增加，白噪声区域缩小并最终消失，因为有限应变率限制了雪崩的最大尺寸。一个新的应变率和系统尺寸相关的标度理论推导出的功率谱在准静态和有限应变率制度。这个理论验证过阻尼的二维和三维分子动力学模拟的数据。我们确定了重要的指数在屈服过渡，包括动态指数$z$，它涉及的雪崩的大小，其持续时间，雪崩的分形维数，和指数表征的分歧与应变率的相关性。结果是一个单一的雪崩和多个雪崩之间的时间相关性。
2021-04-09 cond-mat.soft
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
First contact breaking distributions in strained disordered crystals
我们推导出精确的概率分布的应变（$ε$）在均匀应变无序晶体中发生的第一个应力降事件，通过颗粒尺寸的多分散性引入淬火无序。我们表征这些第一个应力降事件的数值和理论，并确定它们与系统中的第一个接触断裂事件。我们的理论结果证实了应用于无序近晶配置的无热软粒子的准静态体积应变的数值模拟。我们开发了一种通用的技术来确定的$distribution$的应变在第一应力降事件发生，通过一个精确的映射之间的累积分布的第一接触断裂事件和体积的凸多面体的尺寸是由系统中的缺陷$N_d$的数量。一个精确的数值计算，这个多面体体积的系统与少量的缺陷显示出显着的匹配，通过直接数值模拟产生的应变分布。最后，我们推导出的第一个应力降发生时的应变分布，假设个人接触断裂事件是不相关的，准确地再现从直接数值模拟得到的分布。
2022-08-25 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
The strain-stiffening critical exponents in polymer networks and their universality
本研究通过大规模计算机模拟验证了非热应变硬化相变标度理论的临界指数预测，发现数值结果与解析预测定量一致，且该相变相对于驱动应变对称性和网络拓扑具有普适性。
2025-04-04 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
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
Effects of Buckling on Stress and Strain in Thin Randomly Disordered Tension-Loaded Sheets
研究了随机无序薄板中裂纹屈曲对应力应变的影响。片材被建模为梁的弹性晶格，其中每个梁具有单独的断裂阈值。一个统计分布的指数尾巴对弱或强的光束被用来产生的阈值和无序的大小可以在零和无穷大之间任意变化。沿晶格的顶行和底行施加单轴力偶，断裂根据应力场与局部强度的比率最强的地方进行。由于破裂是从第一个裂纹随机出现的完整板开始的，因此屈曲的开始和模式根据裂纹的生长位置和方式而变化。对于各种各样的疾病的屈曲板的应力-应变关系进行了比较与非屈曲板。的屈曲的最大外力的非屈曲值的系统可以容忍的破坏前的比率被发现，随着增加的混乱，是相应的位移的比率。
2005-05-27 cond-mat.soft
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
Self-organization and memory in an disordered solid subject to random loading
研究非晶固体在随机剪切应变下的自组织与记忆形成，设计读取协议证明系统可保留并检索应变范围记忆，推广了无序材料记忆形成的条件，并揭示了其在环境感知与生物适应策略中的普适意义。
2025-01-22 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft q-bio.NC
Discrete rearranging disordered patterns: Prediction of elastic and plastic behaviour, and application to two-dimensional foams
我们研究由单个（离散）物体制成的材料的弹塑性行为，例如由气泡制成的液体泡沫。通过统计量，如结构的弹性应变、屈服应变和屈服函数，考虑了各个物体的位置和相互布置的演变。样本的过去历史除了通过其对这些统计量的影响之外，并没有发挥明显的作用。它们足以将离散规模与集体、全球规模联系起来。在这个全球尺度上，材料表现为连续介质;它用弹性应变、应力和速度梯度等张量来描述。我们写的微分方程预测其弹性和塑性行为在一般情况下和简单剪切的情况下。剪切应变或剪切应力的过冲被解释为变形结构的旋转，这是一种纯粹的张量效应，只有当屈服应变至少为0.3阶时才存在。我们建议的实际应用，包括：当选择一个标量形式主义，而不是张量之一;如何放松被困应力;以及如何建模材料的低，或高，屈服应变。
2010-02-03 cond-mat.soft
Spatiotemporal analysis of nonaffine displacements in disordered solids sheared across the yielding point
利用分子动力学模拟研究了变形非晶态固体中非仿射位移的时间演化和空间相关性。三维模型玻璃是通过二元混合物，这是缓慢退火远低于玻璃化转变温度，然后在一个恒定的应变速率剪切表示。结果表明，随着应变的增加，具有大的非仿射位移的原子簇的典型尺寸增加，这些簇保持空间均匀分布，直到屈服点时，移动原子成为本地化的系统跨越剪切带内。此外，屈服过渡与非仿射位移的空间相关性的突然变化相关联，该变化从指数衰减到幂律衰减。我们还发现小原子对关联函数中的第一个峰的高度在屈服应变下表现出明显的增加。这些结果进行了讨论，在循环加载下的非晶材料的屈服转变。
2019-10-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.comp-ph
Training Allostery-Inspired Mechanical Response in Disordered Elastic Networks
本文受蛋白质别构效应启发，利用定向老化训练无序弹性网络，使局部应变在远距离节点间产生或增强力学耦合，并通过实验与模拟对比验证。
2025-01-08 cond-mat.soft
Nonlinear elasticity of disordered fiber networks
无序生物聚合物凝胶具有显著的机械性能，包括强非线性。在无热凝胶（例如胶原蛋白-I）的情况下，非线性长期以来与从弯曲主导到拉伸主导的弹性状态的交叉相关联。这种交叉的物理性质与中心力均衡点的存在有关，并且与大多数凝胶的弯曲模量小的事实有关。这种交叉引起弹性模量的缩放行为。特别地，对于线性弹性，已经证明了这样的标度定律[Broedersz等人，Nature Physics，2011 7，983]。在这项工作中，我们推广的非线性制度的标度与两个参数的标度律涉及三个临界指数。我们对两个无序晶格模型的标度律进行了数值检验，发现剪切模量在线性和非线性区域都有很好的标度坍缩。我们计算了这两个晶格模型的所有临界指数，并讨论了我们的结果对实际系统的适用性。
2015-07-27 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Elasticity of fibrous networks under axial prestress
我们目前的理论和实验研究的纤维网络的弹性响应进行单轴应变。使用具有自由水流入/流出的剪切流变仪将单轴压缩或拉伸施加到纤维蛋白和胶原蛋白的细胞外网络。测量了轴向应力和网络剪切模量。先前的工作[van Oosten等人，Scientific Reports，2015，6，19270]已经显示了这些网络在压缩/拉伸下的软化/硬化，以及对剪切的非线性响应，但是这种行为的起源仍然知之甚少。在这里，我们研究单轴应变如何影响纤维网络的非线性力学。使用可弯曲和可拉伸纤维的计算网络模型，我们表明，软化/硬化行为可以理解为固定的横向边界在2D和3D网络与实验细胞外网络的平均连通性相当。此外，我们表明，发病的硬化强烈依赖于所施加的单轴应变。我们的研究突出了轴向应变和边界条件在确定水凝胶的机械响应的重要性。
2016-03-10 cond-mat.soft
Contact network changes in ordered and disordered disk packings
研究了纯排斥无摩擦圆盘填充对准静态变形的力学响应。变形包括简单的剪切应变在恒定的填充分数和在恒定的压力下，“多分散性”的应变（其中我们改变颗粒尺寸分布）在恒定的填充分数和在恒定的压力下，和各向同性压缩。对于每种变形，我们表明颗粒间接触网络中存在两类变化：跳跃变化和点变化。当接触网络变得机械不稳定时，发生跳跃变化，颗粒“重新排列”，并且势能（当应变以恒定填充分数施加时）或焓（当应变以恒定压力施加时）以及所有导数都是不连续的。在点更改期间，单个接触将添加到接触网络或从接触网络中删除。对于排斥性线性弹簧相互作用，势能/焓的二阶和高阶导数在点变化处是不连续的，而对于赫兹相互作用，势能/焓的三阶和高阶导数是不连续的。我们说明了点的变化的重要性，通过研究从六方晶体到无序晶体施加多分散性应变引起的过渡。在此过渡期间，系统只经历点变化，没有跳跃变化。我们强调，必须了解点的变化，以及跳跃的变化，预测堵塞填料的机械性能。
2020-08-05 cond-mat.soft
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
Cells exploit a phase transition to mechanically remodel the fibrous extracellular matrix
通过机械力，生物细胞重塑周围的胶原蛋白网络，产生惊人的变形模式。细胞间形成高密度的纤维束和纤维束，细胞团中有较细的条带。虽然系绳促进细胞迁移和通信，但它们如何形成尚不清楚。结合建模，模拟和实验，我们表明，系绳的形成是一个致密的相变的细胞外基质，引起的屈曲不稳定的网络纤维下细胞诱导的压缩，具有意想不到的相似之处马氏体微观结构。多尺度平均产生一个两阶段，连续的能量景观纤维胶原蛋白，与致密化/对齐的第二阶段。模拟预测未致密化和致密化相之间的应变不连续性，其如实验观察到的那样局限于系链内。在我们的实验中，活性粒子诱导了与细胞相似的局部模式。这显示了细胞如何利用不稳定性来简单地通过收缩机械地重塑细胞外基质，从而促进机械感应、侵袭和转移。
2021-02-19 cond-mat.soft physics.bio-ph
Mechanical annealing and memories in a disordered solid
以恒定的应变幅度剪切无序或非晶态固体许多周期可以使其退火，使样品松弛到编码该幅度的记忆的稳定状态。这种稳定状态还具有对幅度变化的显著稳定性，允许读取存储器。在这里，我们通过考虑如何对样本进行机械退火以具有尽可能少的记忆内容，为退火和记忆提供了新的认识。在实验中，我们表明，一个“振铃”协议达到一个相当的稳定状态，但没有明显的记忆和最小的结构各向异性。我们介绍了一种方法来表征人口的样品内的重排，并显示它是如何连接的幅度变化和退火步骤的大小的响应。这些技术可以推广到其他形式的玻璃态物质和各种各样的无序固体，特别是那些通过均匀流动产生的。
2021-12-13 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Effective Medium Theory for Mechanical Phase Transitions of Fiber Networks
针对刚性纤维网络非线性硬化的力学相变缺乏完整解析理论的问题，研究提出纳入非简谐哈密顿量的扩展有效介质理论，其平均场预测与已有实验和数值结果定性相符。
2023-09-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Criticality in sheared, disordered solids. I. Rate effects in stress and diffusion
利用分子动力学模拟研究了二维和三维二元Lennard-Jones玻璃在剪切无序固体中的速率效应。在准静态（QS）制度，系统表现出临界行为：雪崩的大小是幂律分布的最大截止发散与增加系统的大小$L$。随着应变速率的增加，系统远离临界屈服点，平均流变应力以应变速率的幂函数形式增加，其指数为$1/β$，即Herschel-Bulkley指数。有限尺寸标度崩溃被用来测量$β$以及表征相关长度的发散的指数$ν$。每个粒子的应力和动能随应变经历波动，其比例为$L^{-d/2}$。由于系统中最大的雪崩按$L^α$缩放，这意味着$α< d/2$。粒子扩散速率在饱和之前以速率递减的幂函数形式发散。扩散的标度理论推导出使用QS雪崩率分布和推广到有限应变率制度。该理论用于不同系统尺寸的塌陷曲线，并确认$β/ν$。
2021-04-09 cond-mat.soft
Strain localization in a shear transformation zone model for amorphous solids
我们使用剪切转变区（STZ）理论模拟剪切无序固体。在这种平均场连续模型中，区域的密度由有效温度决定，当能量耗散时，有效温度接近稳态值。我们比较STZ模型模拟石，等人。（Phys. Rev. Lett. 98 185505 2007），发现该模型生成的解决方案，适合的数据，表现出应变本地化，并捕捉本地化过程的重要特征。我们表明，扰动的有效温度增长，由于在瞬态动力学的不稳定性，但不稳定的系统并不总是发展剪切带。非线性能量耗散过程与扰动增长相互作用，以确定材料是否表现出应变局部化。通过估计这些相互作用的影响，我们得出一个标准，确定哪些材料表现出剪切带的基础上的初始条件。我们还表明，剪切带宽度不是由固有的扩散长度尺度，而是由一个动态的规模，取决于所施加的应变率。
2007-06-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Nonlinear Stress Fluctuation Dynamics of Sheared Disordered Wet Foam
剪切的湿泡沫在气泡变形中储存弹性能，通过气泡重排来释放应力。泡沫中气泡重排的不稳定性导致应力的有效随机下降，随后是弹性增加的时期。我们研究了超过三十年的应变率和近二十年的系统尺寸高度无序泡沫的全球特性。我们使用一系列的措施：平均应力，应力下降的分布，应力下降率，和归一化的波动强度的行为特征。基本上不依赖于系统大小。作为应变速率的函数，在$0.07 {\rm s^{-1}}$的剪切速率附近存在行为变化。
2003-03-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Robust Scaling of Strength and Elastic Constants and Universal Cooperativity in Disordered Colloidal Micropillars
研究了由3和6 μ m聚苯乙烯颗粒组成的双分散胶体自支撑微柱的单轴压缩行为。限制柱的机械退火使得能够改变胶体玻璃的相空间中的填充分数。测得的归一化强度和弹性模量的退火独立微柱跨越几乎三个数量级，尽管类似的塑性形态受剪切带。我们测量了极限强度和弹性常数之间的稳健相关性，该相关性不随相对湿度变化，这意味着$\sim$ 0.01的临界应变与金属玻璃（MG）中观察到的应变惊人相似[WL约翰逊，K. Samwer，Phys. Rev. Lett. 95，195501，2005]并暗示了协作塑性形变的普遍模式。我们估计的特征应变的基础合作塑性事件，考虑所需的能量，以创建一个Eshelby椭圆形夹杂在弹性矩阵。我们发现，特征应变是相似的，发现在实验和模拟中的其他无序固体具有不同的键合和颗粒尺寸，这表明一个通用的标准，在玻璃材料的弹性到塑性转变的能力有限的塑性流动。
2014-08-21 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Spatially correlated rotational dynamics reveals strain dependence in amorphous particle packings
无定形颗粒堆积中的微观结构动力学通常通过量化颗粒位移来探测。虽然当颗粒的位移受到阻碍时，颗粒填充中的刚性出现，但通常无序的位移度量如何与机械响应联系并不明显。相反，粒子旋转对限制效应的敏感性要小得多，但对堆积的力学仍然敏感。到目前为止，很少有人注意将微观旋转运动与非晶填料的力学联系起来。我们证明，通过实验测量，颗粒包装力学可以直接链接到旋转运动的剪切包装，即使是圆形颗粒。我们的结果表明，旋转动力学的扩散性质是高度应变敏感的。此外，在旋转动力学中存在大量的空间相关性，其是颗粒摩擦和堆积密度的函数。我们的测量分析表明，粒子旋转动力学在非晶材料力学中起着至关重要的作用。
2020-12-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Finite size effects in critical fiber networks
纤维网络如胶原蛋白在生理系统中是常见的。这些网络的一个重要功能是为细胞和组织提供机械稳定性。在生理水平的连通性，这样的网络将是机械不稳定的，只有中心力的相互作用。虽然网络可以通过弯曲相互作用来稳定，但也已经表明，它们表现出从松弛到刚性的临界转变作为施加应变的函数。超过一定的应变阈值，据预测，欠约束网络与只有中心力的相互作用表现出剪切模量的不连续性。我们研究了这种转变的有限尺寸标度行为，并确定了热力学极限中的力学不连续性和临界指数。我们发现非平均场行为和证据的超标度关系的临界指数，网络刚度是类似的热相变的热容量。这一点的进一步证据也可以在纤维网络的自平均特性中找到。
2020-06-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Stiffening of under-constrained spring networks under isotropic strain
无序弹簧网络是研究非晶材料宏观力学性能的一个有用范例。在这里，我们研究了欠约束弹簧网络的弹性行为，即网络的自由度比弹簧大。虽然这样的网络通常是松软的，但它们可以通过施加外部应变来硬化。最近，一个分析形式主义已经发展到预测的机械网络性能接近这个刚性过渡。在这里，我们数值表明，这些预测适用于许多不同类别的弹簧网络，包括幻影三角形，Delaunay，Voronoi和蜂窝网络。分析预测进一步表明，剪切模量$G$的比例线性与各向同性应力$T$接近刚性过渡，但是，这似乎是在最近的数值研究表明，$G$和$T$，这是小于一个为某些网络类之间的指数不一致。使用增加的数值精度和剪切稳定，我们在这里证明，接近过渡的线性缩放，$G\sim T$，保持独立的网络类。最后，我们表明，我们的结果不受或仅受有限大小效应的影响很弱，这取决于网络类。
2022-04-15 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Accelerated relaxation in disordered solids under cyclic loading with alternating shear orientation
利用分子动力学模拟研究了循环加载过程中剪切取向的交替变化对无序固体弛豫动力学的影响。模型玻璃最初是通过从液态快速冷却制备的，然后沿着单个平面或在二维或三维中周期性交替地进行循环剪切。我们发现，随着在弹性范围内的应变振幅的增加，系统被重新定位到更深的能量极小值。值得注意的是，发现在变形协议中剪切取向的每一个额外的交替使玻璃处于较低的能量状态。经过1000多次剪切循环后的力学试验结果表明，循环加载导致强度和剪切模量各向异性的增加。
2019-08-18 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.comp-ph
Geometry and the onset of rigidity in a disordered network
当施加足够的应变时，不协调的无序弹簧网络可能会突然硬化。由于应变引起的变形不会改变网络结构的一般数量--节点数和节点之间的键数--因此这种刚性转变必须有一个几何起源。朴素的、基于自由度的力学分析，如麦克斯韦-卡拉丁计数或卵石博弈算法，忽略了这种几何刚性过渡，并且没有提供预测或表征它们的方法。我们应用的工具，开发的拓扑分析的零模式和状态的自应力的规则晶格的二维随机弹簧网络，并证明了刚度的发病，在一个有限的简单剪应变$γ^\star$，符合一个单一的状态的自应力的外观，伴随着一个单一的软盘模式。该过程保持了零模式数和自应力状态数之间的拓扑不变差异，但赋予弹簧网络有限的剪切模量。超出临界剪切，我们确认先前报道的临界缩放的模量。在亚临界状态下，网络的相容性矩阵的奇异值分解预示着通过对应于自应力的新生状态的连续消失的奇异值的方式开始刚性。
2017-09-08 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Nonlinear mechanosensation in fiber networks
在多种生理环境中，真核细胞粘附于细胞外基质（ECM），这是一种具有复杂非线性力学的无序网络。这些细胞可以执行机械感觉：使用局部力探测，它们可以测量并响应其基底的机械特性。然而，目前尚不清楚ECM在细胞尺度上的机械复杂性如何影响机械感觉。在这里，我们调查的物理限制机械感觉所施加的固有结构紊乱和非线性弹性响应的ECM。使用无序纤维网络的理论框架，我们发现，细胞可以用小的探测力局部感知的极端机械异质性随着力的增加而大大减少。具体来说，我们预测的准确性mechanosensation显着提高力，以下的普遍幂律不敏感的组成细节，我们定量确认使用胶原蛋白和纤维蛋白凝胶的微观流变学实验。我们通过引入一个非线性机械感觉的一般模型，基于与纤维屈曲相关的新兴非线性长度尺度的想法，提供了对这种行为的概念性见解。这种依赖于力的长度尺度增强了进行局部机械测量的范围，从而在扩大的区域上平均化无序网络的响应。我们展示了一个例子，一个细胞如何可以使用这种非线性mechanosensation来推断一个无序ECM使用本地测量的宏观力学性能。总之，我们的研究结果表明，细胞可以利用纤维网络的固有非线性来鲁棒地感知，控制和响应其机械环境。
2022-08-12 cond-mat.soft physics.bio-ph
Physical limits to biomechanical sensing
细胞主动探测并响应周围环境的硬度。由于结缔组织中的机械感觉细胞被生物聚合物的无序网络包围，因此它们的体内机械环境可能非常不均匀。在这里，我们研究这种异质性如何影响mechanosensing建模细胞作为一个理想化的局部刚度传感器内的无序纤维网络。对于我们研究的所有类型的网络，包括实验成像的胶原蛋白和纤维蛋白结构，我们发现在整个给定网络的不同点上应用的测量产生了惊人的广泛的局部刚度，跨度大约20年。我们通过模拟和缩放参数验证了这种广泛的局部刚度是无序纤维网络的一般属性，并表明可以通过调整特定的网络特征（包括长纤维的存在和弹性过渡的接近）来进一步增加该范围。这些特征还允许刚度对探针长度的高度可调依赖性。最后，我们表明，要获得最佳的，可靠的估计全球组织刚度，细胞必须调整其大小，形状和位置，以整合多个刚度测量扩展区域的空间。
2016-08-04 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.bio-ph
Rheological properties vs Local Dynamics in model disordered materials at Low Temperature
研究了剪切模型无序材料的低温流变响应与键刚度的关系。我们发现，流动曲线遵循赫歇尔-Bulkley定律，无论是债券的刚性，与指数接近0.5。有趣的是，表观粘度可以与一个单一的相关的时间尺度$t_{rel}$，这表明当地的动态和全球的机械行为之间的强连接。我们提出了一个模型的基础上的竞争之间的成核和雪崩式传播的空间应变不均匀性。该模型可以解释的Herschel-Bulkley指数的基础上的大小依赖于剪切速率的不均匀性。
2014-03-31 cond-mat.soft
Field theory for mechanical criticality in disordered fiber networks
本文针对无序纤维网络应变控制临界性中非平均场行为的起源问题，提出最小平均场模型并发展为唯象场论，预测其上临界维度为4，并首次确定了相变的序参量。
2024-04-09 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Strain versus stress in a model granular material: a Devil's staircase
本文用数值模拟的方法研究了二维刚性无摩擦盘的无序填料在逐渐变化的应力作用下所达到的一系列平衡态。在配置空间中的轨迹的统计特性被发现是独立的统治颗粒动力学的具体假设，并确定的几何形状。宏观加载参数的单调增加会导致离散的重排序列。对于双轴压缩，我们表明，由于统计的重要性，这样的事件的大幅度，所产生的应变应力方向的依赖性是一个列维飞行的热力学极限。
2009-01-20 cond-mat.soft
Characterising the Anisotropic Mechanical Properties of Excised Human Skin
皮肤的机械性能对于包括外科手术、皮肤病学、冲击生物力学和法医学的许多应用是重要的。在这项研究中，我们已经调查了位置和方向上的变形特性的56个样本的离体人体皮肤的影响。单轴拉伸试验在0.012 s $^{-1}$的应变速率下从背部对皮肤进行。数字图像相关用于2D应变测量，并对真皮进行组织学检查。平均极限拉伸强度（UTS）为21.6 $\pm$ 8.4 MPa，平均失效应变为54 $\pm$ 17%，平均初始斜率为1.18 $\pm$ 0.88 MPa，平均弹性模量为83.3 $\pm$ 34.9 MPa，平均应变能为3.6 $\pm$ 1.6 MJ/m $^3$。多变量方差分析表明，皮肤的这些机械性能取决于Langer线的方向（P $<$ 0.0001-P=0.046）。还发现样本在背部的位置对UTS（P =0.0002）、弹性模量（P=0.001）和应变能（P=0.0052）有显著影响。组织学研究得出结论，朗格线的取向与真皮中胶原纤维的优选取向之间存在明确的相关性（P $<$ 0.001）。在这项研究中获得的数据将提供必要的信息，为那些希望使用结构本构模型的皮肤建模。
2013-02-13 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.med-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
Anomalous linear elasticity of disordered networks
基于理论与数值计算，本文发现临界刚性转变附近的无序弹性网络在低于关联长度时呈现非仿射的异常长程线性弹性响应，具有不同的多极展开结构和更慢的扰动衰减，并讨论了其普适性及对细胞间通信的意义。
2023-01-08 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Soft and non-soft structural transitions in disordered nematic networks
从理论上研究了无序交联弹性体和凝胶的性质，重点讨论了非局部弹性相互作用和交联条件的作用。最初在各向同性相交联的网络失去其长程取向顺序淬火随机应力的作用，我们纳入仿射变形模型的橡胶弹性。我们提出了一个详细的图片机械准Goldstone模式，这占了几乎完全软的多域-单域（P-M）过渡下的应变，以及“四叶草”图案的去偏振光散射强度。用一个简单的模型研究了畴结构的动力学弛豫。结构因子的峰值波数服从幂律型慢动力学，在真正的机械平衡时趋于零。分析了单畴态中淬火无序对指向矢涨落的影响。在长波长和P-M跃迁阈值附近，随机冻结对涨落幅度的贡献占主导地位。我们还研究了通过交联多畴嵌段聚合物熔体获得的网络。初始指向矢构型的记忆表现为关联的、强的淬火无序，使P-M跃迁非软。的弹性自由能的空间分布是强烈的外部应变，在各向同性交联网络的情况下，去均匀化。
2000-04-03 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Consequences of Anomalous Diffusion in Disordered Systems Under Cyclic Forcing
利用数值模拟方法研究了二维无摩擦圆盘系统在循环剪切作用下的行为与反转振幅γ r的关系。我们的研究集中在平均体积和磁盘动力学。这些测量结果表明，从一个亚扩散的，γ_r相关的制度，过渡到一个制度，其中晶粒运动是扩散的，与性能只依赖于总的剪切应变。我们讨论模型随机过程，这些意见是一致的。最后，我们引入了一个修改后的均方位移（mMSD），它考虑到附近的晶粒附近的运动，并产生新的见解到当地的位移波动。我们发现，位移分布的标度特性是一致的，以及研究的异常扩散的随机模型，并建议规模不变的笼动力学。
2012-06-29 cond-mat.soft
Periodic training of creeping solids
我们考虑无序固体，其中的微观元素可以塑性变形，以响应对他们的压力。我们表明，通过定期驱动系统，这种可塑性可以利用训练在所需的弹性性能，无论是在全球的模量和当地的“变构”的相互作用。周期性驱动可以将施加的“源”应变耦合到能量景观中的路径上的目标应变。这种耦合允许控制系统的响应，即使在大应变良好的非线性制度，它可能难以实现简单的控制设计。
2019-09-08 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
