水凝胶的受阻溶胀与断裂

障碍物在广泛场景中影响物体的生长与膨胀——但在复杂环境中分离并理解其影响十分困难。此处，我们在一个可用于实验、模拟与理论的模型系统中研究受阻生长/膨胀：水凝胶在具有不同几何形状的固定圆柱形障碍物周围溶胀。当障碍物大而间距宽时，水凝胶绕其溶胀并保持完整。相反，我们的实验揭示当障碍物窄且间距近时，水凝胶在溶胀过程中发生断裂。我们利用有限元模拟绘制了二维模型中平衡溶胀期间累积应力的量级与空间分布，为预测此类自断裂现象何时可能出现提供途径。应用压痕理论、孔隙弹性与非线性连续介质力学的经验，我们还建立了理论框架，以理解溶胀期间发展的最大主拉应力与压应力如何受障碍物几何与材料参数控制。这些结果因而有助于阐明受阻环境中生长/膨胀的力学原理。