孔隙率决定聚合物凝胶中的法向应力

当受到剪切时，大多数弹性固体（如金属、橡胶和聚合物水凝胶）会在垂直于剪切平面的方向上膨胀。这种被称为坡印廷效应的众所周知的行为，其特征是正的法向应力。令人惊讶的是，由纤维蛋白和胶原蛋白等纤维状蛋白质制成的生物聚合物凝胶，以及许多生物组织，却表现出相反的效应：在剪切下收缩并显示负的法向应力。本文我们表明，这种异常行为源于生物聚合物凝胶的开放网络结构，该结构在剪切过程中促进了间隙流体流动。使用孔径可控的纤维蛋白网络作为模型系统，我们展示了施加剪切时的法向应力响应在短时间内为正，但随后以由孔径决定的特征时间尺度减小到负值。利用双流体模型，我们发展了一个定量理论，统一了在合成凝胶和生物聚合物凝胶中遇到的相反行为。合成聚合物凝胶对溶剂流动是不可渗透的，因此在典型的实验时间尺度上实际上是不可压缩的，而生物聚合物凝胶实际上是可压缩的。我们的发现为调控诸如离模膨胀效应等常阻碍聚合物材料加工的弹性不稳定性提供了一条新途径，并进一步表明，孔弹性效应在细胞和组织的力学性质中所起的作用比先前预期的要重要得多。