航天航空学院曹炳阳课题组合作揭示聚合物在剪切流场中先软化后硬化的机制

聚合物长分子链间的缠结行为，既是高分子理论中最基础而重要的概念之一，也是从细胞骨架输运到塑料加工处理等诸多自然现象和工业过程的核心，厘清其物理图像具有重要意义。已有的实验测量多关注聚合物系统在平衡态下的系综特性，其建模常把聚合物链看作在蛇形“管道”中运动，但聚合物系统在实际剪切场下非线性平衡区的动态行为和聚合物单分子链行为对系统特性的影响规律都还无法实现观测，成为聚合物分子链缠结研究的瓶颈。

近日，清华大学航天航空学院曹炳阳教授和美国科学院院士、韩国基础科学院软物质及生命材料基础科学研究所史蒂夫·格拉尼克(Steve Granick)教授课题组合作在期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表了题为“生物聚合物链缠结在剪切流场中先软化后硬化”(Biopolymer filament entanglement softens then hardens with shear)的论文。通过单分子荧光成像技术，直接观测到了单分子肌动蛋白在剪切流场中的定向排列与拉伸行为。随剪切速率的增加，聚合物分子链的管道先在定向排列的作用下“软化”，再在拉伸的作用下“硬化”。这表明聚合物的动态局域行为受到单分子链的定向排列与拉伸的共同影响。

研究采用的流变仪耦合荧光单分子测量系统可直接对剪切流场下的聚合物单分子链成像。如图1所示，实验发现，不同长度的聚合物链在剪切方向上的取向角均随着剪切速率的增加而减小，定向系数随剪切速率的增加而增加，表明聚合物链在剪切作用下发生定向排列。同时，聚合物链在剪切流场的作用下也发生了拉伸。

图1.聚合物链在剪切作用下的定向排列与拉伸行为

图2.聚合物链在剪切作用下的的管径变化

实验量化研究了聚合物链的管道直径，并将剪切作用下的管道直径与静止状态下进行比较，如图2所示。结果发现，随着剪切速率的增加，管径比值增加，达到最大值后缓慢下降。这说明当聚合物链的定向排列占主导地位时，更容易垂直于其主轴方向波动，管径增大，管道先发生“软化”;当聚合物链的拉伸占主导地位时，刚度增加，管径减小，管道“硬化”。两种机制之间相互竞争，使得聚合物链的管径在变化过程中出现峰值。

清华大学航天航空学院2017级博士生张梓彤和韩国基础科学院软物质及生命材料基础科学研究所博士后郑锴锴为论文的共同第一作者，清华大学航天航空学院曹炳阳教授为论文的共同作者，美国科学院院士、韩国基础科学院软物质及生命材料基础科学研究所史蒂夫·格拉尼克(Steve Granick)教授为论文的通讯作者。本研究得到了国家自然科学杰出青年基金等项目的资助。

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