高分子科学前沿 2026-11-08 23:19:02
针对这一问题,清华大学王哲教授课题组通过分子动力学模拟揭示:缠结聚合物在强拉伸下发生应变诱导的“缠结—堆积”跨接;原始链拉伸饱和后,对流解缠和链对齐将系统重组为对齐链段的堆积构型。该跨接使拉伸应力不能仅由链内构象应力描述,还必须显式加入链间贡献,从而解释基于管的描述为何失效,并定量捕获大拉伸应变下的力学响应。相关论文以“Entangled-to-packed crossover in nonlinear extensional rheology of entangled polymers”为题,发表在Nature Communications上。
研究采用LAMMPS分子动力学模拟系列纠缠熔体,以珠—弹簧链、排斥Lennard-Jones势和有限可伸长非线性弹性势构建体系,沿z轴施加恒定Hencky应变率,并通过调节弯曲系数改变链刚度以调控平衡缠结长度;用Z1+算法识别原始路径和缠结,以Rouse Weissenberg数WR保持强非线性响应。结果显示,拉伸开始后归一化缠结数下降,εH1标记拉伸诱导解缠的起始(图1a),CCR模型能定性捕捉该衰减(图1b);原始路径长度随拉伸比增长并出现临界拉伸比λ1(图1c),且λ1与√Ne成比例(图1d),说明解缠起始与原始路径最大拉伸比相关。
图1 拉伸诱导解缠的起始。
为判断哪些缠结真正贡献应力,研究提出有效缠结概念:对拉伸链,第l个缠结是否有效取决于其两条关联链段的构型,由参数K反映(图2a、图2b),K大于平衡分布标准差sK,eq时为有效缠结,否则为无效缠结;有效缠结再按角度θ分为θ<π/2的尖锐有效缠结和θ>π/2的温和有效缠结(图2b)。拉伸使K分布偏离平衡并移向较大值,θ分布由单峰变为双峰,分别对应尖锐和温和有效缠结(图2c、图2d),从而把缠结的局部几何与机械有效性联系起来。
图2 纠缠的分类及其机械有效性。
在此基础上,研究追踪分类缠结的演化和运动:有效缠结(EE、SEE和MEE)在拉伸初期增加,随后在εH1开始下降;总缠结数在εH1后明显下降(图3a)。εH>εH1时多数缠结成为有效缠结。尖锐有效缠结的诞生在εH>εH1后随应变增加越来越稀少,因其需要原始路径的卷曲拐角,而链对齐会抑制这种构型(图3b、图3d);温和有效缠结在εH>εH1后可在高度对齐时生成,并在链端频繁出现和释放,形成大应变下的“动态背景”(图3c、图3d)。尖锐有效缠结沿原始路径向外滑动,其归一化衰减在不同样品和流速下塌缩到主曲线(图3b、图3e),表明解缠主要通过流动对流释放。
图3 拉伸过程中分类纠缠的演化和运动。
随着解缠和取向增强(图4a),研究进一步考察链间构型:沿流动方向以平衡缠结长度为厚度切片,将切片内链部分质心投影到xy平面,计算二维对分布函数g2D(r),并统计第一壳内平均链数和重叠投影比例φol(图4b、图4c)。εH>εH1后g2D(r)形成明显第一配位壳,第一壳链数在εH2后饱和到接近6,表现二维随机堆积特征;φol在缠结区近乎常数,在跨接区快速下降,在堆积态接近小值(图4b、图4c)。链快照和投影点分布直观显示缠结态、跨接态和堆积态的差异(图4d、图4e),说明强拉伸诱导出解缠、对齐链段的堆积结构。
图4 拉伸下的结构演化和链堆积。
在堆积态中,基于缠结的概念失去结构基础,研究由此分解应力:总拉伸应力由Virial表达式计算,构象应力由应力光学规则得到,在WR=40时,含FENE和摩擦降低的DEMG模型在εH>εH1后显著偏离模拟结果(图5a)。稳态下构象应力明显低估总应力,而修正DEMG模型仍高估稳态应力(图5b);研究将差值Δσ=σtot−σconf归因于沿流动方向链间分离产生的摩擦应力,并给出随残余缠结抑制而修正的表达式。该摩擦应力在不同链长、刚度和流速下复现Δσ(图5c),说明堆积态下总应力可近似为链内构象贡献与链间摩擦贡献之和,从而为管模型失效提供微观结构解释。
图5 拉伸应力。
综上,该研究揭示的“缠结—堆积”跨接改变了链间相互作用进入流变响应的方式:缠结区应力可由平均链内构象贡献有效表示,堆积态则必须显式加入沿流链间分离的摩擦贡献。研究强调链在高度应变下仍动态活跃,链内涨落与流动驱动的链间分离分别对应构象和摩擦贡献;这些结果为强拉伸流中管模型失效提供了微观结构基础。强拉伸还可能诱导颈缩、断裂等非均匀宏观失效,其与微观纠缠动力学的定量关系仍需进一步研究。
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发布时间:2026-11-07 11:51:20
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