姚振威研究组

近期，物理学顶级学术期刊《物理评论快报》 ( Physical Review Letters)接受并将发表上海交通大学物理与天文系及自然科学研究院姚振威和美国西北大学材料科学和工程系 Monica Olvera de la Cruz完成的题为“Electrostatics-driven hierarchical buckling of charged flexible ribbons”的论文(2016年3月11日，accepted to publish), 该论文报道了他们关于通过长程静电相互作用改变带状二维弹性体表面的度规，从而产生丰富构型的工作。

带电弹性带在生物和材料系统中普遍存在。人们直觉上相信，带电弹性体在长程静电排斥势作用下，会倾向于采取伸展的姿态以降低静电能。然而，由于静电力本身的长程属性，带电体任何部分的位移都将对剩余部分产生影响。另一方面，静电力和带电体形状之间存在着复杂的耦合。这种耦合以及静电力的长程性，给理论上研究带电弹性体的构型变化带来极大挑战，但同时为非平凡构型的产生创造了可能性。

数值模拟成为探索带电弹性体可能构型的有力工具。在最近发表的这项工作中，姚振威及其合作者采用数值模拟的方法，获得带电弹性带丰富的构型。通过对这些构型进行系统分析，发现了波纹状和螺旋状两类构型，如右图所示。同时，作者们运用经典微分几何的数学工具，阐明了这些构型的物理起源。简而言之，带电弹性带表面的度规在静电力作用下被重新定义。而重新定义的度规正好对应正的曲率。因此，采取弯曲塌缩的构型对系统能量的降低反而更为有利。这项基础研究清楚地表明，人们可以从几何效应的角度，来解决复杂的长程物理相互作用。相关结果有望可以为我们理解和最终充分利用生物和材料系统中普遍存在的静电力提供一种新思路。