基于流变显微技术揭示Pluronic F127胶束立方液晶相中体相流变学、结构转变与异质流动的关联机制

本研究通过流变显微技术(rheo-microscopy)创新性地将体相流变测量与微观可视化相结合，解决了软材料"屈服"行为异质性机制不明的关键问题。研究人员以Pluronic F127胶束立方相(I1)为模型体系，采用傅里叶变换流变学(FT-rheology)和物理过程序列(SPP)分析方法，首次观察到"断裂-滑动-愈合"动态循环，颠覆了传统"滑移-粘附"理论认知。该发现为理解复杂流体非线性响应提供了新视角，对药物递送系统和3D生物打印材料设计具有重要指导意义。

　　

在软物质科学领域，理解胶体晶体和液晶材料的屈服行为一直是重大挑战。Pluronic F127这类三嵌段共聚物形成的胶束立方相(I₁)因其独特的力学性能和生物相容性，在药物递送、组织工程和直接墨水书写(DIW)3D打印中应用广泛。然而，传统流变学测量仅能获得宏观响应，无法揭示微观结构演变与流动异质性间的本质联系。更关键的是，关于立方相在剪切作用下"完美塑性流动"和"滑移-粘附"机制的理论解释，缺乏直接的实验证据支持。这些认知空白严重制约了功能材料的理性设计。

为破解这一难题，国外研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表了一项创新研究。他们开发了独特的流变-光学联用系统，将平行板流变仪与荧光显微镜、偏振光显微镜集成，实现了对F127胶束立方相在动态剪切过程中微观结构演变的原位观测。研究采用傅里叶变换流变学(FT-rheology)分析非线性谐波，运用物理过程序列(SPP)框架解析瞬态模量演化，结合粒子追踪技术定量表征局部流动，并通过双折射成像绘制结构有序-无序转变图谱。

关键技术方法包括：1) 双驱动流变仪配置实现精确应变控制；2) 同步荧光/偏振光显微成像系统；3) TrackMate算法定量分析粒子位移；4) 傅里叶滤波处理应力波形；5) 区域强度分析法定量结构转变动力学。

【体相流变学结果】研究发现F127体系在应变振幅γ₀≈1.4%出现非线性响应，γ₀≈4.5%时储能模量G'与损耗模量G"发生交叉。第三谐波强度比I_3/1显示非线性起始点与带不稳定性起始高度吻合。弹性Lissajous-Bowditch曲线在γ₀>14%呈现矩形特征，耗散比φ趋近1，这些传统上被解释为"完美塑性流动"的表征。

【复杂局部流动】粒子追踪揭示了出乎意料的现象：在非线性起始点γ₀≈1.4%出现瞬态带状不稳定性；γ₀≈6.7%时重组为三个特征区域；当γ₀≈14%时材料发生断裂，形成上下两个运动模式截然不同的区域：底部区域与应变输入同步运动，顶部区域则与应力响应同相。这种断裂行为与体相流变学测量的"完美塑性"特征形成鲜明对比。

【双折射分析】偏振光显微显示：1) 初始样品呈现全视野双折射，表明存在非立方相的各向异性结构；2) 小振幅振荡剪切(SAOS)下，有序立方相从平板界面向中间结晶，30分钟后仅在间隙中部保留约90μm的双折射区；3) 大振幅振荡剪切(LAOS)导致双折射区断裂，裂纹沿中间弱区扩展。定量分析显示结构转变动力学符合t∝d²标度律。

【讨论与结论】这项研究颠覆了三个传统认知：首先，用"断裂-滑动-愈合"循环取代了广为接受的"滑移-粘附"机制；其次，证明Lissajous曲线的矩形特征实际反映的是断裂面滑动而非理想塑性流动；最后，揭示了结构异质性是导致流动局部化和断裂的根本原因。这些发现为理解复杂流体的非线性响应提供了新范式，特别对DIW打印工艺优化具有直接指导意义——打印过程中的剪切历史会显著影响材料结构均匀性，进而决定最终产品的力学性能。该研究建立的流变-结构关联分析方法可推广至其他软物质体系，为功能性软材料的理性设计奠定科学基础。