拓扑无序纤维纠缠中的极端协同溶胀

纠缠态在纤维材料中无处不在，无论是天然存在的（角蛋白、胶原蛋白、DNA）还是合成的（纳米管组装体、氨纶）。这些系统的一个关键力学特征是其响应外部刺激而重组的能力，如人皮肤中角蛋白原纤维水合诱导溶胀所示。溶胀过程中，单根纤维的曲率发生改变，产生协同且可逆的结构重组，从而打开孔网络。已知该现象高度依赖于拓扑，即便这种依赖的性质尚不清楚：某些有序纠缠（‘编织’）可溶胀至原始体积的数倍，而另一些则完全不能溶胀。鉴于对拓扑的敏感性，许多真实材料的无序纠缠如何能支持协同扩张机制令人困惑。本文结合几何与晶格动力学建模研究无序对溶胀行为的影响。我们设计的模型系统跨越无序拓扑的连续统，并以溶胀行为已知极小或极端的有序态为边界。我们发现，虽然拓扑无序常抑制溶胀行为，但某些无序态拥有出乎意料大的溶胀能力。关键的是，我们表明先前仅在某些特定编织中观测到的极端溶胀响应，可被无序纠缠的响应匹敌——甚至超越。我们的结果建立了拓扑无序与力学柔性之间反直觉的联系，不仅对聚合物科学有意义，也对我们更广泛理解无序系统中的集体现象有所启示。