[论文解读] Giant Activity-Induced Stress Plateau in Entangled Polymer Solutions

Davide Breoni, Christina Kurzthaler+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2023

Cellular Mechanics and InteractionsBiochemistry, Genetics and Molecular Biology被引用 3

一句话总结

本研究揭示，在高度缠结的聚合物溶液中，自推进运动在缠结点处因活性驱动的抓握力而引发巨大的应力平台，其长期粘度呈 $\sim L^2$ scaling，与平衡态下的 $\sim L^3$ scaling 形成鲜明对比。通过布朗运动模拟，作者在不同佩克莱特数（Péclet numbers）下实现了普适的标度坍缩，并为具有可调机械响应的软材料建立了新的活性流变定律。

ABSTRACT

We study the viscoelastic properties of highly entangled, flexible, self-propelled polymers using Brownian dynamics simulations. Our results show that the active motion of the polymer increases the height of the stress plateau by orders of magnitude due to the emergence of grip forces at entanglement points. Identifying the activity-induced energy of a single polymer and the ratio of polymer length to self-propulsion velocity as relevant energy and time scales, we find the stress autocorrelation functions collapse across Péclet numbers. We predict that the long-time viscosity scales with polymer length squared $\sim L^2$, in contrast to equilibrium counterparts $\sim L^3$. These insights offer prospects for designing new materials with activity-responsive mechanical properties.

研究动机与目标

• 理解自推进如何改变远离平衡的缠结聚合物溶液的黏弹性响应。
• 识别活性缠结系统中增强应力平台的微观起源。
• 建立活性聚合物网络中粘度和应力松弛的普适标度律。
• 区分活性缠结动力学与被动或剪切形变系统。
• 为设计具有活性可调机械性能的材料提供理论框架。

提出的方法

• 采用珠-弹簧模型对柔性自推进聚合物进行三维布朗运动模拟。
• 通过格林-库伯关系追踪随时间变化的应力自相关函数以计算粘度：$\eta(t) = \int_0^t G(t') dt'$。
• 识别相关能量与时间尺度——聚合物长度 $L$、自推进速度 $v$ 和佩克莱特数 $\mathrm{Pe} = Lv/D$——以实现不同 $L$ 和 $\mathrm{Pe}$ 下的数据坍缩。
• 将原始路径定义为周围聚合物形成的有效管状结构的轴线，并追踪其随时间的演化。
• 分析缠结点和发夹结构，以量化抓握力和拓扑约束。
• 使用渐近分析提取长期粘度 $\eta_\infty$ 并验证标度行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 自推进如何影响缠结聚合物溶液中应力平台的高度？
• RQ2 具体而言，是什么微观机制——特别是缠结点处的抓握力——驱动了增强的应力响应？
• RQ3 活性缠结聚合物的应力自相关函数能否在不同佩克莱特数和聚合物长度下实现统一的主曲线坍缩？
• RQ4 在活性系统中，长期粘度 $\eta_\infty$ 与聚合物长度 $L$ 的标度关系如何，相较于平衡态下的关系？
• RQ5 活性应力平台与被动或剪切形变的缠结系统中的应力平台有何不同？

主要发现

• 由于缠结点处活性诱导的抓握力，应力平台高度显著提升，数量级增加；相邻聚合物形成的发夹结构可抵抗滑动。
• 抓握力的大小取决于自推进速度，速度越高，力的传递越强。
• 当应力自相关函数按相关能量与时间尺度归一化后，可在不同佩克莱特数下坍缩为单一主曲线，证实了在佩克莱特数范围内的普适动力学行为。
• 在高度缠结区域（$L \gtrsim 500\sigma$）和高佩克莱特数（$\mathrm{Pe} \gtrsim 8$）下，长期粘度呈 $\eta_\infty \sim L^2$ 标度，与平衡态系统中的 $\sim L^3$ 标度形成鲜明对比。
• 对于较短聚合物（$L \leq 250\sigma$），由于缠结减少，出现 $L^2$ 标度的偏离，且管径随 $\mathrm{Pe}$ 增大而增加。
• 活性系统保持无应力状态，不会发展出有限应力，而形变的被动缠结系统则会，凸显了机械响应的关键差异。