弹性和布朗弹性体的微流控中的动力学研究

科学讲座3（2022）100057粘性流体安克·林德纳Hétèrogènes民兵物理和机械，PMMH，ESPCI Paris，PSL University，CNRS，Sorbonne Université，Université de Paris Cité，法国自动清洁装置保留字：流体结构相互作用布朗流体微流体纤维悬浮液优化的气流结构A B标准在这里，我们提出了剪切和压缩下的弹性和布朗弹性体的个别动力学 我们使用肌动蛋白作为模型系统，并使用荧光标记技术和显微镜跟踪方法观察它们在微流控几何结构中的动力学。在剪切下，我们表征了从翻滚到屈曲的连续过渡，并最终将蛇形转弯作为弹性粘性数的函数在压缩下，我们揭示了三维螺旋结构的形成，并表征其形成。最后，我们试图将微观观察与宏观悬浮液性质联系起来，并在微流变仪中对肌动蛋白稀释悬浮液的剪切粘度进行初步测量。本文的视频可以在www.example.com上https://doi.org/10.1016/j。sctalk.2022.100057.图和表图1.一、 使用局部细长体理论（SBT）模拟的剪切流中屈曲纤维的动力学（经[2]许可改编）。通讯作者。电子邮件地址：anke. espci.psl.euh tt p：//dx. 多岛或g/10。1016/j。我的天啊。20 22. 1 0 0 05 7接收于2022年6月8日;接受于2022年6月11日27 7 2 - 56 93/©2022TheA ut h or r. 由El sevieL td发布。 这是一个在C CB Y-NC-NDL ic en s e（http：//c re ati ve c o m on s）下的操作。or g/lic ens es/by-nc-n d/4。0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表科学讲座杂志首页：www.elsevier.es/sctalkA.林德纳科学讲座3（2022）1000572图二、弹性纤维在Couette细胞中的玉米糖浆中进行蛇形转弯（经[1]许可改编）。图3.第三章。 在一个微视频频道中的动作片（经[3]的许可改编）。A.林德纳科学讲座3（2022）1000573CC图四、肌动蛋白纤维形状的时间演变，在一个微通道中传输，并在平面剪切运动的一个周期内观察到。比较粘性力和弹性力的弹性-粘性数μ从左到右增加。 μ与γ：L4成正比，其中γ为剪切速率，L为薄膜长度（Yanan Liu提供，PMMH-ESPCI）。图五、相图显示了不同的动力学制度（见图）。4）在（lp，μ）参数空间中。lp量化了布朗形状波动的重要性，其中lPLCL是肌动蛋白的持久长度，L是长度。对于小的lp布朗涨落是重要的。对于大的lp，恢复了非布朗极限μL L c表示弹性-粘性数，将粘性力与弹性力进行比较，由c归一化，是胶片纵横比的函数黑色虚线表示理论上的从翻滚运动到C屈曲的转变（μπ ι 1 π ι306 4）和从C屈曲到U形弯曲（μm 1 μ m1700）。实心符号表示实验;空心符号表示模拟。lations. 经许可，已改编[4]。C¼;c¼A.林德纳科学讲座3（2022）1000574π图六、（A-C）在各种翻滚和变形状态下，（A）弯曲能E的最大值，（B）球度参数ω的最小值，和（C）平均角的范围Δx对弹性粘性数μ的依赖性（见图1）。4）. 实心符号表示实验;空心符号表示模拟。经许可，已改编[4]。图7.第一次会议。在微可压缩装置中，在停滞点处的actine薄膜的屈曲模式（经[5]允许改编）。A.林德纳科学讲座3（2022）1000575图8.第八条。上图：优化的双曲线微通道（实验实现）。下图：中心线上的速度和应变率曲线（Curtesy Yanan Liu，PMMH-ESPCI，法国和Konstantinos Zografos，Univ. Strathclyde，英国）。图9.第九条。在优化通道中的跟踪精度。A.林德纳科学讲座3（2022）1000576图10个。压缩流中布朗弹性体的屈曲构象。在相同的归一化时间比较了双曲通道和布朗模拟中实验的演变薄膜形态的快照。 垂直图对应于弹性粘性数μ的增加值（经[6]允许修改）。图十一岁 对应于图1，2，3，4的模拟薄膜构象的投影。图10在通道的横截面平面中，突出了在大μ处形态的3D螺旋性质（经[6]许可改编）。图12个。非布朗薄膜在模拟压缩下的螺旋屈曲（经[6]许可改编）。A.林德纳科学讲座3（2022）1000577图13岁螺旋形状的稳定性分析和基本原理。左：不稳定平面本征模的增长率与弹性粘性数的关系曲线。 随着μ的增加，额外的模式变得不稳定。两个主要特征值用红色和蓝色表示，并标记为偶数（E）或奇数（O）。右（上）：与给定μ值的两个最大本征值相关的本征模，对应于绿点（左图）。右（底部）叠加的两个本征模模式在垂直平面中生长，导致螺旋形状。（经许可，由[6]改编）。图十四岁时间动力学和最终螺旋半径。a，实验中薄膜的端到端距离Lee和半径R随归一化时间的变化用于估计最终螺旋半径的范围以黑色显示（经[6]允许图十五岁螺旋的压缩速度X估计为端到端距离的变化率，显示出对归一化时间的线性依赖性（经[6]许可改编）。A.林德纳科学讲座3（2022）1000578με.Σ图十六岁实验和两种模拟中的最终尺寸半径作为轮廓长度的函数（经[6]许可改编）。图十七岁 最终半径R作为B的函数=： 1 = 4，其中B是弯曲模量，μ是粘度，而λ是布朗模拟中针对不同的持续性长度hs_p，s_h_i_i_e和d_e_d_e_d_e（以及根据[ 6 ]中的h_p_e_i_iA.林德纳科学讲座3（2022）1000579图十八岁左：剪切流中很长肌动蛋白薄膜的强变形（刘亚楠，PMMH-ESPCI）。右：剪切流中的复杂纤维形状，来自使用浸入边界法的自适应版本的模拟（经[7]许可图十九岁在剪切流中，弹性杆与刚性杆相比的净体应力差，作为剪切流强度Z的函数，相当于上面介绍的弹粘数（经[8]允许改编）。A.林德纳科学讲座3（2022）10005710图20. 肌动蛋白半稀释悬浮液的流变学：左：倒置显微镜上反向旋转锥板剪切池的示意图。(d)典型的共聚焦图像重建3D堆栈，显示一小部分标记的肌动蛋白纤维嵌入在未标记的F-肌动蛋白的黑暗背景绿线：跟踪电影的示例。比例尺，10μm（经[10]许可改编）图21岁肌动蛋白半稀释混悬液的流变学：不同浓度下的稳态粘度与剪切速率的函数关系，显示剪切稀化（经[Kirchenbuechler 2014]许可改编）。图22岁第一法向应力差N1是用细长体理论通过数值模拟得到的，它是时间的函数。在相同条件下，直板的法向应力差用虚线画出以供比较。 垂直实线表示直线胶片垂直的时间（经[9]许可改编）。A.林德纳科学讲座3（2022）10005711图23岁剪切应力，从数值模拟中获得的细长体理论，绘制为时间的函数。在相同条件下，直薄膜的剪应力（与图1相同）。22）用虚线绘制以供比较。垂直实线表示直线胶片垂直的时间（经[9]许可改编）。图24岁使用细长体理论进行数值模拟，得出剪切流下的纤维形状（经[9]许可改编）。图二十五（a）粘度η和（b）第一法向应力差N1作为聚合物的皮克莱数Pe（底轴）和弹性粘性数μ（顶轴）的函数，其中lp/L = 1000，三维纵横比r = 220。在布朗噪声存在下，采用细长体理论的数值模拟结果低Pe标度和中Pe标度是刚性杆的理论预测，它们在粉红色（Pe <<1）和绿色（1 <$Pe <$r3+ r−3）区域内是有效的。 垂直虚线表示C屈曲和U转弯的起始点（经[6]允许改编）。A.林德纳科学讲座3（2022）10005712图26岁（a）平均聚合物取向θ，定义为旋转张量的主特征向量与流动方向的夹角，作为Pe和μ的函数。(b) 平均回转张量的对角分量Gxx、Gyy和Gzz在布朗噪声存在下，采用细长体理论的数值模拟结果垂直虚线表示C屈曲和U转弯的起始点（经[6]允许图27岁。单分散肌动蛋白薄膜悬浮液的制备。快照和长度分布（刘亚楠，PMMH-ESPCI）。致谢研讨会介绍了作者及其合作者过去几年的工作。感谢以下各方的贡献：Yanan Liu （ ESPCI ，现西北大学，西安，中国）Brato Chakrabarti（ UCSD ， 美 国 和 Flatiron Institute ， 纽 约 ， 美 国 ） Joana Fidalgo（Strathclyde University，英国，美国）Konstantinos Zografos （ Strathclyde University ，UK ） John Lagrone （ Tulane University ，USA）Olivia du Roure （ PMMH-ESPCI ， Paris ，France ） David Saintillan （ UCSD ，USA）Ricardo Cortez（美国杜兰大学）Lisa Fauci（美国杜兰大学）MonicaOliveira（英国斯特拉斯克莱德大学）Antoine Jégou Guillaume Romet Lemonne（IJM，Paris，France）资金A.L.确认来自ERC Consolidator Grant PaDyFlow（协议682367）的资金。这项工作得到了“Institut Pierre-Gilles de Gennes“（卓越实验室，“未来投资”计划ANR-10-IDEX-0001-02 PSL和ANR-10-LABX-31）的支持。A.林德纳科学讲座3（2022）10005713申报利益作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。引用[1] O.L. 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PaulLettinga，纠缠溶液中单个肌动蛋白纤维的构象转变的直接可视化，Nat.Commun。5（2014），5060.进一步阅读[1] 低雷诺数流动中的流体-结构相互作用，Camille Duprat和Howard Stone编辑，RSC软物质系列。[2] N. 肯努斯湾Shelley，O.du Roure，A.Lindner，粘性蜂窝状流中弹性纤维的运输和屈曲动力学，J. Fluid Mech.769（2015）387-40 2.