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  液晶聚合物內(nèi)部獨(dú)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(guò)程可以在粘彈性松弛基礎(chǔ)之上進(jìn)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(dòng)、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備與組織替代品、以及人類防護(hù)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(jī)械變形聯(lián)系起來(lái)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(guó)科羅拉多大學(xué)丹佛分校于凱團(tuán)隊(duì)首次證明使用偏振可見(jiàn)光進(jìn)行光學(xué)測(cè)量是一種可靠且易于使用的方法來(lái)實(shí)時(shí)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(guò)濾透射偏振光（圖1a）。通過(guò)比較平行方向與垂直方向透射光強(qiáng)，可以評(píng)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)（圖1b）。校準(zhǔn)之后，結(jié)合單軸拉伸試驗(yàn)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(cè)試最終得到晶體結(jié)構(gòu)在定向過(guò)程中的松弛時(shí)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(shí)，晶體結(jié)構(gòu)會(huì)在載荷的作用下重新定向（圖2a）。通過(guò)偏振光測(cè)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(shuō)明晶體結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速率遠(yuǎn)高于所采用的加載速率�？偟膩�(lái)說(shuō)，這項(xiàng)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(jiàn)解。該測(cè)試技術(shù)還可以潛在地?cái)U(kuò)展到其他類型的聚合物之中，以從實(shí)驗(yàn)和理論的角度來(lái)研究材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。

圖1. (a)偏振光測(cè)試晶體結(jié)構(gòu)定向的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(zhǔn)偏振光測(cè)試結(jié)果。（d）不同應(yīng)變下晶體結(jié)構(gòu)的定向松弛時(shí)間。

圖2. (a)偏振光測(cè)試晶體結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)與重新定向的實(shí)驗(yàn)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(wú)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(guó)家自然科學(xué)基金委和美國(guó)能源部的支持。

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