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在橡胶网络研究中，为探究力辅助化学反应致链断裂对其力学和溶胀行为的影响，研究人员采用离散网络（DN）建模结合动力学蒙特卡罗（KMC）算法开展研究。结果发现力偏置反应加速降解和模量降低，还会引发各向异性损伤。该研究为相关领域提供新视角。
在材料科学的微观世界里，橡胶网络无处不在，从我们日常使用的轮胎到生物医学领域的可降解水凝胶，它都发挥着重要作用。然而，橡胶网络在外界环境因素的影响下，容易发生化学降解，就像一座坚固的桥梁在风雨侵蚀下逐渐变得脆弱。传统的研究方法在解释橡胶网络化学降解过程中的一些现象时遇到了困难，比如无法准确描述力在网络中的分布以及其对降解过程的影响，也难以解释为什么在某些情况下橡胶网络的性能会出现意想不到的变化。这就促使科学家们去探索新的研究方法，以更深入地了解橡胶网络化学降解的奥秘。
为了解开这些谜团，来自未知研究机构的研究人员开展了一项关于 “Force-biased chemical degradation in rubbery networks: Insights from discrete network simulations” 的研究，相关成果发表在《Extreme Mechanics Letters》上。这项研究意义重大，它为深入理解橡胶网络的化学降解机制提供了新的视角，有助于推动橡胶材料在各个领域的优化和应用。
在研究过程中，研究人员主要运用了两种关键技术方法。一是离散网络（DN）建模方法，将聚合物链看作是在交联点连接的熵弹簧，通过这种方式来精确描述橡胶网络的结构。二是动力学蒙特卡罗（KMC）算法，用于模拟力加速的链断裂过程。这两种方法相辅相成，为研究提供了有力的工具。
研究结果如下：
- 自由降解（Free degradation）：研究人员首先对自由降解情况进行研究。结果发现，增大活化长度a会加速降解，这与动力学模型预期一致。而且，力偏置反应（a>0）相较于随机链断裂（a=0），在相同降解状态下会导致更大的弹性模量降低。例如，在一些实验中，当a>0时，网络的弹性模量下降速度明显快于a=0的情况。同时，质量损失会影响降解诱导的溶胀，较大的临界簇尺寸会导致更快的质量损失，进而减少溶胀程度。
- 约束降解（Constrained degradation）：在研究降解在施加外力情况下的表现时，发现随着预拉伸的增加，链断裂数量加速增加，渗流阈值降低，溶胀和应力松弛也更快。比如在不同预拉伸条件下的实验中，高预拉伸的样本其链断裂速度更快。并且，力偏置降解会使网络产生各向异性的弹性性能，在方向 1 上的响应比方向 2 更软。在网络在恒定载荷下的降解实验中，虽然随着载荷增加链断裂事件的加速不明显，但溶胀比和拉伸变化更迅速，渗流阈值也降低。
研究结论和讨论部分指出，通过离散网络模拟结合 KMC 算法，能够有效研究橡胶网络中的力偏置降解。力偏置反应动力学不仅会使弹性模量更快降低，还会导致更快的溶胀，在相同降解阶段，力偏置降解对模量的降低作用更显著，并且会使网络在外部载荷下产生损伤各向异性。这种各向异性可以作为实验验证反应动力学是否受力影响的依据。同时，研究还发现简单的基于微力学的连续介质模型存在局限性，它无法准确捕捉网络的反向凝胶化以及考虑链力的非均匀分布。这表明需要更先进的模型来描述橡胶网络降解直至反向凝胶化的过程，这也为后续的研究指明了方向。该研究为橡胶网络在生物医学、材料工程等领域的应用提供了理论基础，有助于开发性能更优的橡胶材料，比如在生物可降解水凝胶用于生物医学植入物、药物递送和组织工程等方面，能够根据这些研究结果更好地设计和优化材料，使其在实际应用中发挥更大的作用。
