剪切流中弹性丝的形态转变

粘性流体中弹性丝的形态动力学、不稳定性和转变构成了从鞭毛推进到胞内胞质流动等众多生物物理过程的基础，并且也是破译许多复杂流体和软材料流变行为的关键。在这里，我们结合实验和计算建模来阐明弹性 Brownian 丝在简单剪切流中的动力学状态和形态转变。我们采用肌动蛋白丝作为实验模型系统，并通过微流控通道中的荧光显微镜研究其构象。同时，在存在热涨落的情况下，使用不可伸长 Euler-Bernoulli 梁理论和非局部细长体流体力学进行了与实验条件相匹配的模拟，并与观测结果定量吻合。我们证明，该系统中的丝动力学主要由比较粘性拖曳力与弹性弯曲力的无量纲弹粘性数控制，而热涨落仅起次要作用。虽然短而刚性的丝执行准周期的翻滚运动，但在超过临界流动强度时会出现屈曲不稳定性。在弹粘性数取更大值时发生向强烈变形形状的第二次转变，其特征是出现沿丝传播的明显“蛇形”运动的高曲率局部弯曲。针对迄今为止尚未探索的蛇形运动起始的理论模型准确预测了该转变并解释了观测到的动力学。我们首次完整表征了作为弹粘性数和标度化持久长度函数的丝形态及其转变，并证明了理论、实验和模拟之间的极好吻合。