火蚁筏的力学响应

火蚁（Solenopsis invicta）在受限或遇水时会通过形成自愿的蚁间连接而凝聚成团。一旦形成，由于相邻蚂蚁之间的动态键交换，这些聚集体表现为粘弹性固体，这一点已通过限制在流变仪中的三维聚集体具有速率依赖的力学响应得到证明。本文我们研究二维平面火蚁筏（大致如自然界中形成时）的力学响应。具体而言，我们对蚁筏施加单轴拉伸至破坏，以及施加50%应变两个循环且中间具有不同恢复时间。在此过程中我们测量蚁筏的反作用力（以估算网络尺度应力），以及网络的瞬时速度场和拓扑损伤响应，从而阐明全局力学在蚂蚁尺度的起源。即使在慢应变率下（相对于未加载键脱离速率），蚁筏也表现出类脆性破坏，而瞬态网络理论预测此时应为稳态蠕变。这证明受载的蚁间键发生了机械敏感键稳定化或表现为“捕获键”（catch bonds）。双轴应力条件成核、并因键解离而合并的孔洞的汇聚进一步支持了这一结论。由链解离引起的孔洞汇聚特征时间尺度证明，即使在慢应变率下，拉伸键的局部脱离主要依赖于应变（而非键寿命），这意味着键脱离速率在拉伸下显著减小。值得注意的是，当通过恢复蚁筏至无应力状态使孔洞闭合时，发生了力学恢复，证实了存在浓度依赖的键结合——其与受力减弱的解离相结合——可在特定应力状态下进一步增强网络内聚。