Конформационная деформация мульти

Том 12 научных докладов, Номер статьи: 19984 (2022) Цитировать эту статью

1568 Доступов

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Представлен новый класс деформации плоской петлевой структуры, состоящей из тонких упругих тел и соединений. При демонстрации окружного укорочения многосуставной упругой петли возникают разнообразные трехмерные (3D) деформации за счет кусочных отклонений и дискретных вращений. Эти трехмерные морфологии соответствуют конформациям молекулярных кольцевых систем. Посредством обработки изображений 3D-реконструкции деформированных структур характеризуются количеством, геометрией и исходными дефектами сегментов тела. Из измерений выяснилось, что конформационная деформация без самонапряжения возникает в результате циклической сборки сжимающего изгиба упругих тел с высокой сдвиговой жесткостью. Полученные знания в области механики могут быть применены для контроля полиморфизма, проявляемого циклическими структурами в разных масштабах.

Тонкие конструкции, у которых размер поперечного сечения намного меньше продольного, широко распространены во многих дисциплинах. Они встречаются повсюду, в разных масштабах: от подводных кабелей до стержней и веревок размером с человека, микроструктурных тканей растений и животных, молекулярных столбов и цепей, таких как углеродные нанотрубки и двухцепочечные дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК). Их уникальная способность к большой деформации привлекла внимание научного сообщества, в том числе в области теоретической и прикладной механики, и даже в настоящее время проблемы, связанные со сложной деформацией в трехмерные (3D) конфигурации, решаются в таких областях, как потеря устойчивости при сжатии от Архитектура из 2D в 3D1,2,3, намотка эластичных нитей, развернутых на подложке4,5, механика узлов6,7 и растущие стержни в 3D8,9,10,11,12.

Деформация тонкого упругого тела кратко описывается моделью упругого стержня, представленной одним параметром длины дуги, определяющим центральную линию13,14. В зависимости от упругого стержня существует четыре типа деформаций: растяжение/сжатие, сдвиг, изгиб и скручивание, которые сочетаются с осевыми и сдвиговыми силами, а также изгибающими и скручивающими моментами, возникающими внутри стержня. Хлопание растянутых и скрученных тросов является типичным примером больших трехмерных деформаций нерастяжимых упругих стержней без сдвига, называемых стержнями Кирхгофа. Концевые крутящие моменты и низкие напряжения, приложенные к изначально прямой конфигурации, вызывают спиральное выпучивание, в результате чего режим деформации переходит от кручения к трехмерному прогибу15,16,17. После того как спираль начинает формироваться локально, все большее и большее скручивание приводит к образованию петли спиралей как самоконтактирующегося образования, перпендикулярного продольной оси. Эти корчи приводят к заключительной фазе, называемой плектонемой; например, плектонемическая фаза возникает в сверхскрученных спиралях ДНК18,19,20,21.

Значительное растяжение и сдвиг вызывают после равномерного спирального выпучивания другой тип деформации, характеризующийся самоконтактом, известный как соленоид22, который включает в себя корчание с минимальной длиной волны в продольном направлении. Равномерное спиральное образование и локализацию после выпучивания, включая плектонемическую или соленоидную фазу, можно смоделировать с помощью теории упругого стержня и ее расширения. Расширенная теория описывает локальный характер деформации посредством осевого растяжения и сдвига, а также изгиба и кручения23,24. Хотя понимание этого явления хоклинга имеет важное значение с точки зрения трехмерной деформации структур более высокого порядка, результирующая спиральная морфология в целом плохо воспроизводится, учитывая конкретные параметры управления, такие как внешнее воздействие терминального скручивания и растяжения.

Как показано ранее, контроль над разнообразными структурными морфологиями, подвергающимися большой деформации, представляет интерес для различных областей. В этом контексте мы фокусируемся на моделировании, которое уменьшает ограниченные степени свободы деформации для достижения управляемой системы трехмерной морфологии. Мы представляем еще одну концепцию тонкой конструкции, подвергающейся воздействию обычных сил сжатия, которую можно деформировать в счетные трехмерные узоры. Эта концепция касается спутанной подвижности взаимосвязанных основных сегментов, которую вместе называют моделью клубка25. Модель Tangle состоит из нескольких жестких коленчатых тел, соединенных в петлю поворотными шарнирами. Возможная морфология соответствует конформации молекулярной кольцевой системы, которая описывается стереомоделью Дрейдинга или с помощью конформационного анализа26,27.