在生物组织和柔性电子器件中，液体夹杂（如细胞或液态金属）常嵌入软固体基体，承受大变形和表面效应的影响。一项最新研究系统探讨了可压缩球形液体夹杂物的力学响应，特别强调表面效应、弹性壳的作用以及大变形下的非线性行为。该工作为理解软复合材料的力学性能提供了新见解，并为柔性器件设计和生物力学应用奠定基础。
研究构建了一个理想化模型，将液体夹杂嵌入软固体中，考虑固-液界面处曲率依赖的残余表面应力和液体的可压缩性。通过线性弹性理论，推导出夹杂物（有无弹性壳）在单轴拉伸下的弹性场解。这揭示了微尺度液体夹杂的独特“拉胀”（auxetic）行为和不稳定性：在特定弹性毛细细数阈值下，液体夹杂在拉伸方向异常膨胀，进一步增加表面效应导致不稳定变形。该行为类似于Rayleigh-Plateau不稳定性，但扩展到球形几何的情形。研究进一步考虑液体夹杂带有弹性壳的场景，模拟细胞外基质或人工增强层。分析显示，较软弹性壳促进夹杂进入“拉胀”和不稳定状态，而较硬弹性壳抑制之。还提供了极限解，强调液体可压缩性对上述行为的影响。例如，当液体体积模量较小时，远场应变显著放大“拉胀”变形；当其与固体模量相当时，应力集中位置随拉伸增加而从垂直方向转移到拉伸方向。
为处理大变形，采用有限元模拟，将固体基体建模为超弹性材料，液体视为可压缩且无剪切应力。表面效应通过曲率依赖表面应力实现，模拟结果与小变形理论一致。验证包括硅胶空腔大变形实验和离子液滴拉伸数据，证实非线性变形的准确性。结果显示，高可压缩液体下，应力集中位于垂直方向，受表面效应增强；低可压缩时，应力转移到拉伸方向，并随远场应变加剧。弹性壳调控此过程：硬弹性壳缓解应力集中，软弹性壳放大。大变形使负泊松比极限偏离线性预测，尤其在液体高度可压缩情况下。
该工作创新整合液体可压缩性、曲率依赖表面应力和弹性壳的影响，提供从线性到非线性变形的完整框架，挑战传统弹性理论。在生物领域可指导细胞机制研究，在工程中可优化柔性可穿戴电子器件。该论文以“Compressible Spherical Liquid Inclusion: Surface Effects, Role of Coating, and Large Deformation”为题发表于国际界面力学权威期刊Langmuir，第一作者为团队博士生孙学超，卢天健教授和刘少宝副研究员为共同通讯作者，其他作者包括清华大学博士后提飞、西安现代控制技术研究所于晨磊博士、南京航空航天大学博士生陶泽。
