强聚集胶体凝胶中应力传递的微观力学见解

预测软凝胶材料在外变形下的力学响应在诸多领域至关重要，如食品、药物、固液分离、化妆品、气凝胶和药物递送。大多数对凝胶材料弹性的理解基于分形标度概念，微观见解极少。先前的实验观察强烈表明，凝胶材料在变形时失去分形关联，且可应用分形标度的体积分数范围非常有限。此外，正确实施分形建模需要识别弹性骨架，这是一项艰巨任务。迄今为止，对高体积分数下凝胶弹性及其控制力学响应的正确长度尺度尚无清晰理解。在本工作中，我们进行广泛的数值模拟以阐明凝胶材料中应力传递的不同方面。我们观察到在凝胶点附近存在压缩和拉伸法向力的两个渗透网络。我们还发现，由各自均值归一化的压缩和拉伸部分的概率分布表现出普适行为，与不同的相互作用势、热能和粒径分布无关。有趣的是，也存在大量法向力为零的接触，因此即使在较高压力下，法向力分布在$f_n\approx0$处出现峰值。我们还确定了临界内部状态参数，如平均法向力、力各向异性和平均配位数，并提出了将应力不同分量与内部状态参数关联的简单本构关系。我们的模型预测与模拟观察之间的一致性极好。