近日，清华大学工程物理系王哲课题组通过理论分析和分子动力学模拟，研究了缠结高分子在强拉伸过程中的微观结构演化，揭示了体系由“缠结态”向“堆积态”转变的物理图像，并阐明了这一结构转变与宏观拉伸流变行为之间的定量联系。

高分子是现代材料体系的核心分支，大量存在于民生日用、工业制造和高新技术之中。支撑高分子材料广泛应用的独特性质是其显著的黏弹性：既具有突出的弹性，也可像液体一样发生黏性流动。这种复杂力学性质背后的微观结构基础是缠结：高分子材料由大量长链分子组成，长链之间缠绕，组成了复杂的动态拓扑网络。长期以来，处理缠结高分子体系的“标准”模型是管道模型（Tube model）。该模型由杰出的理论物理学家S. F. Edwards（2005年狄拉克奖得主）、P. G. de Gennes（1991年诺贝尔物理奖得主）、Masao Doi等人奠定，通过将复杂的多链相互作用等效为单链在虚拟“管道”中的运动，从而将链状拓扑多体问题简化为平均场单体问题。然而，在快速而强烈的拉伸流动下，管道模型的理论预测与实验结果之间出现显著偏差，成为困扰高分子物理领域近30年的重要议题。

研究发现，在拉伸初期，分子链处于由缠结形成的动态拓扑网络之中，体系的力学响应可以由传统管道模型较好地描述。随着拉伸进行，分子链逐渐取向，并发生大规模的对流解缠。当大量缠结被释放后，高度取向的链段进一步发生链间重组，最终形成类似随机堆积棒状体系的链间结构（图1）。这一结果表明，强拉伸下高分子体系并非简单地由“有缠结”变为“无缠结”，而是发生了从一种链间组织状态向另一种链间组织状态的转变。

图1 强拉伸流动下高分子体系由缠结态向堆积态的结构转变

进一步研究表明，这一微观结构转变同时改变了拉应力的物理来源。在缠结态中，链间作用主要通过缠结的拓扑约束影响单链构象，传统基于单链构象的应力描述仍然有效；而进入堆积态后，流动诱导的链间相对分离产生了不可忽略的链间摩擦贡献。研究团队据此提出了一种同时考虑链内构象贡献和链间摩擦贡献的微观应力模型，准确地预测了多个不同高分子体系的拉伸力学响应。

该研究从分子尺度建立了强拉伸流动下缠结高分子的全新微观图像，揭示了链间结构重组在非线性流变行为中的重要作用，为理解经典管道模型在强流动条件下的失效提供了结构基础，并为进一步发展高分子非线性流变理论提供了新的思路。

相关成果以“缠结高分子非线性拉伸流变中的缠结—堆积转变”（Entangled-to-packed crossover in nonlinear extensional rheology of entangled polymers）为题，发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。清华大学工程物理系2023级博士生王寅、2020级博士吴林峰为论文共同第一作者，王哲为论文通讯作者。

该研究得到国家自然科学基金支持，计算资源由清华大学高性能计算中心提供。

论文链接：DOI: 10.1038/s41467-026-78784-3