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  液晶聚合物內(nèi)部獨特的芳香晶體結(jié)構(gòu)（mesogen）在外力作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)。該過程可以在粘彈性松弛基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)抗沖擊與振動、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備與組織替代品、以及人類防護設(shè)備等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)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(jié)構(gòu)與宏觀機械變形聯(lián)系起來至關(guān)重要。目前，廣角 X 射線散射是表征液晶聚合物晶體結(jié)構(gòu)排布的最常用技術(shù)。然而，該技術(shù)的一個主要局限是數(shù)據(jù)采樣速度低。通常至少需要五分鐘才能獲得一組晶體結(jié)構(gòu)排列度的實驗數(shù)據(jù)。因此，這種方法僅限于材料的平衡狀態(tài)下的物理表征，不能用于研究材料速率相關(guān)的耗散行為。

  近期，美國科羅拉多大學(xué)丹佛分校于凱團隊首次證明使用偏振可見光進行光學(xué)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(tài)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(jié)果來進行校準（圖1b）。校準之后，結(jié)合單軸拉伸試驗得到不同應(yīng)變下材料分子鏈的定向系數(shù)（圖1c）。再結(jié)合應(yīng)力松弛測試最終得到晶體結(jié)構(gòu)在定向過程中的松弛時間（圖1d）。另一方面，當(dāng)外界加載方向與分子鏈方向不平行時，晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的變化與外界加載速率關(guān)聯(lián)不大（圖2b與2c ）。說明晶體結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速率遠高于所采用的加載速率�？偟膩碚f，這項研究建立了液晶聚合物宏觀變形與微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，為材料合成、加工和應(yīng)用提供了寶貴的見解。該測試技術(shù)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(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。

圖1. (a)偏振光測試晶體結(jié)構(gòu)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(yīng)變下液晶聚合物晶體結(jié)構(gòu)的定向系數(shù)。紅外光譜分析結(jié)果用于校準偏振光測試結(jié)果。（d）不同應(yīng)變下晶體結(jié)構(gòu)的定向松弛時間。

圖2. (a)偏振光測試晶體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)與重新定向的實驗裝置示意圖。（b）液晶聚合物在連續(xù)拉伸狀態(tài)下偏振光的透射系數(shù)。不同拉伸速率下，材料的透射系數(shù)區(qū)別不大。(c) 拉伸結(jié)束后，液晶聚合物應(yīng)變穩(wěn)定在100%。材料的透射系數(shù)無明顯變化。

  該工作以“Real-Time Alignment and Reorientation of Polymer Chains in Liquid Crystal Elastomers”為題發(fā)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(xué)丹佛分校博士研究生羅超謙。該研究得到國家自然科學(xué)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