正文

西交利物浦大学、中国石油大学（北京）等团队在《Macromolecules》2026年10月28日在线发表的研究，用反应性分子动力学把“绳子一打结就变弱”从经验说法变成了可量化的标度关系，并首次用大样本统计画出断裂位置从结的出入口转移到结芯的完整图景。

研究背景与要解决的问题

长链不可避免会打结，但“结越复杂、断裂方式怎么变”一直不清楚；此前工作最多做到5个交叉点，更高复杂度下断裂位置会不会从结的出入口转移到结芯，未系统验证。

他们做了什么：体系与方法

研究用反应性分子动力学（ReaxFF），这是一种允许化学键在模拟中真实断裂与生成的力场——普通力场键断不了，所以能直接看到“哪根键、在哪断”。体系是单根聚乙烯链，200个CH₂重复单元，5种结：三叶结、四叶结、5₁、6₁、七叶结（下标数字即最小交叉数3–7）。流程是先用OPLS-AA力场在300K、Langevin恒温下平衡1.0纳秒，再切到ReaxFF拉伸；用LAMMPS软件，步长0.25飞秒，300K；5种结乘3种拉伸速率，每条件约100个独立样本，统计断裂位置分布，而非只看个别轨迹。

关键结果

断裂分三个阶段：先是熵驱动收紧（链构象熵损失使结收紧），再是焓驱动收紧（键角与键长变形耗能），最后键断裂。断裂力随结复杂度呈拉伸指数衰减，弹性模量则呈指数增长——拓扑约束同时起两个相反作用：让链更硬，却更容易断。断裂位置出现转移：简单结主要在结的出入口断；复杂结（七叶结）主要在密集的结芯内部断；七叶结的出入口偏好已降到与“均匀随机断裂”无区别的水平；与之对应，结出入口与结芯的碳-碳-碳键角畸变差异随交叉数增大而消失。需如实注明：未打结链的峰值断裂力约15纳牛，约为此前从头算报道的碳-碳键断裂力（约5–7纳牛）的两倍，作者明确指出这是反应性经验力场在高应变速率下的已知系统性高估，结论应看“不同结之间的相对趋势”，而非绝对断裂力数值。

为什么重要

这项工作把“结越复杂越弱”量化为标度关系，并给出断裂位置转移图，对理解高分子断裂、DNA与蛋白质打结稳定性、纤维强度设计都有用。

与MPC+MD模拟高分子链课题的关联

方法部分相关、体系不直接相同。课题若关注链断裂、应力集中或拓扑缺陷，本文的“大样本统计加断裂位置分布对照均匀零假设”分析框架值得借鉴；但本文是无溶剂、单链拉伸的反应性MD，没有用MPCD显式溶剂，也没有做熔体或溶液动力学，不能直接套用到MPC+MD的流体力学体系。

来源

Macromolecules，DOI 10.1021/acs.macromol.6c01298，2026-10-28