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  液晶聚合物內部獨特的芳香晶體結構（mesogen）在外力作用下發生旋轉。該過程可以在粘彈性松弛基礎之上進一步提高聚合物材料的能量耗散水平。作為一種變革性材料，液晶聚合物在結構抗沖擊與振動、生物醫學設備與組織替代品、以及人類防護設備等領域有廣泛的應用前景。

  為了研究液晶聚合物在不同加載速率下的能量耗散行為，將材料微觀晶體結構與宏觀機械變形聯系起來至關重要。目前，廣角 X 射線散射是表征液晶聚合物晶體結構排布的最常用技術。然而，該技術的一個主要局限是數據采樣速度低。通常至少需要五分鐘才能獲得一組晶體結構排列度的實驗數據。因此，這種方法僅限于材料的平衡狀態下的物理表征，不能用于研究材料速率相關的耗散行為。

  近期，美國科羅拉多大學丹佛分校于凱團隊首次證明使用偏振可見光進行光學測量是一種可靠且易于使用的方法來實時表征液晶聚合物分子鏈的排列和重新定向。研究表明，拉伸狀態下的液晶聚合物的分子鏈定向排列，可以像偏振片一樣過濾透射偏振光（圖1a）。通過比較平行方向與垂直方向透射光強，可以評估材料分子鏈的整體定向程度。該研究還采用傅里葉偏振紅外光譜分析對實驗結果來進行校準（圖1b）。校準之后，結合單軸拉伸試驗得到不同應變下材料分子鏈的定向系數（圖1c）。再結合應力松弛測試最終得到晶體結構在定向過程中的松弛時間（圖1d）。另一方面，當外界加載方向與分子鏈方向不平行時，晶體結構會在載荷的作用下重新定向（圖2a）。通過偏振光測試，該研究表明晶體結構的變化與外界加載速率關聯不大（圖2b與2c ）。說明晶體結構的旋轉速率遠高于所采用的加載速率。總的來說，這項研究建立了液晶聚合物宏觀變形與微觀網絡結構之間的關系，為材料合成、加工和應用提供了寶貴的見解。該測試技術還可以潛在地擴展到其他類型的聚合物之中，以從實驗和理論的角度來研究材料的結構-性能關系。

圖1. (a)偏振光測試晶體結構定向的實驗裝置示意圖。光偏振和拉伸方向之間的夾角表示為α。(b) 傅里葉偏振紅外光譜分析實驗裝置示意圖。（c）不同應變下液晶聚合物晶體結構的定向系數。紅外光譜分析結果用于校準偏振光測試結果。（d）不同應變下晶體結構的定向松弛時間。

圖2. (a)偏振光測試晶體結構旋轉與重新定向的實驗裝置示意圖。（b）液晶聚合物在連續拉伸狀態下偏振光的透射系數。不同拉伸速率下，材料的透射系數區別不大。(c) 拉伸結束后，液晶聚合物應變穩定在100%。材料的透射系數無明顯變化。

  該工作以“Real-Time Alignment and Reorientation of Polymer Chains in Liquid Crystal Elastomers”為題發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上（doi.org/10.1021/acsami.1c20082）。文章第一作者是科羅拉多大學丹佛分校博士研究生羅超謙。該研究得到國家自然科學基金委和美國能源部的支持。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.1c20082s