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基于原子力显微镜的软物质微尺度力学弛豫演化特征研究

文献类型:学位论文

作者李航宇
答辩日期2025-05-14
文献子类博士
授予单位中国科学院大学
授予地点北京
导师关东石
关键词微尺度力学表征,软物质,原子力显微镜,弛豫,记忆效应
学位专业流体力学
其他题名Research on the evolution characteristics of micro-scale mechanical relaxation of soft matter based on atomic force microscopy
英文摘要

软物质作为介于理想流体与理想固体之间的复杂流体,其力学行为不仅直接决定柔性器件与化工产品的性能及可靠性,更与细胞黏附、增殖、衰老及癌变等生命过程紧密关联。随着生物医学、微纳制造等前沿领域的快速发展,针对软物质微尺度力学表征及其弛豫演化特征的研究面临新的挑战与需求:首先,需实现对水凝胶、细胞等极软材料力学参数的无损定量表征;其次,微尺度下软物质呈现的独特力学响应(如尺寸依赖的弛豫行为)亟需从机制层面阐释;最后,面向生命健康领域的实际需求,亟待揭示生命软物质复杂力学行为与生理/病理状态的内在关联。

因此,本文针对软物质力学性质的三个关键科学问题:表征手段、微尺度力学特性、生命物质定量测量开展了相关的工作。利用原子力显微镜的高时间、空间、力学分辨率等优势,发展了胶体探针技术对软物质的微尺度的力学性质进行了研究。系统研究了水凝胶的弛豫转折行为,揭示了影响转折行为的主要因素。在此基础上,进一步研究了水凝胶和细胞中的应力记忆效应,并构建了一个定量描述应力记忆效应的普适性模型。最后,将实验体系应用于细胞和组织等生命物质的多层级力学表征,揭示了生命物质力学演化与内部结构的关联。本文的主要研究内容及成果如下:

首先,针对水凝胶弛豫转折行为,采用基于原子力显微镜技术的胶体探针技术,对两种不同类型的琼脂糖水凝胶进行了微尺度力学表征,阐明了水凝胶的应力松弛过程呈现出从短时间的多孔弹性松弛到长时间的幂律粘弹性松弛的特征转折行为,并将研究结果推广到结构更复杂的细胞和组织体系中。

其次,针对水凝胶和细胞应力记忆效应,采用两段阶跃式加载,首次定量表征了水凝胶和细胞在微尺度的应力记忆效应,探究了水凝胶中应力记忆效应的影响因素,基于水凝胶的弛豫模量与本构,构建了一个定量描述应力记忆效应的普适性模型。在此基础上,进一步研究了活性软物质体系-活细胞中的应力记忆效应,讨论了活性对记忆效应的影响。

最后,针对多层级生命物质力学表征,对细胞、组织、胚胎及水凝胶等不同层级生命物质的力学性质进行了研究,发现了由短期分子扩散、长期网络重构及持续弹性分量主导的一致性三模式松弛规律,在此基础上建立了表征生命物质粘弹性特性的统一多尺度框架。

综上所述,以往的研究大多基于固体力学的角度,来研究软物质的弹性、塑性和断裂等性质。本文从流体力学的角度研究了软物质独特的弛豫现象,为软物质微尺度力学表征与弛豫特征的研究提供了可行的工具,揭示了软物质力学性质与结构的关联,为多层级生命物质的定量力学检测与诊断提供了参考。

语种中文
源URL[http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/101230]  
专题力学研究所_非线性力学国家重点实验室
推荐引用方式
GB/T 7714
李航宇. 基于原子力显微镜的软物质微尺度力学弛豫演化特征研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2025.

入库方式: OAI收割

来源:力学研究所

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