液晶弹性体最令人兴奋但的特性之一是其卓越的能量吸收与耗散行为。这源于材料内部的晶体结构在外力作用下发生旋转，从而极大程度地吸收外界机械能。据报道，某些液晶弹性体能量损耗角正切值 (tanδ）可高达 1.5，远大于普通弹性聚合物的损耗水平 （~0.1）。由于其独特的力学性能，液晶弹性体可广泛应用于抗冲击保护装置之中。

  单域（monodomain）液晶弹性体内部的晶体结构朝某一方向定向排布（图1a）。如果外界载荷垂直于晶体方向，该材料可展现出类似于理想耗散器的力学软弹性行为以及最高级别的能量耗散率（图1b）。尽管有这种特殊的机械性能，目前只有少数已发表的关于单域液晶弹性体耗散性能及其应用的论文。一个重要的原因是合成足够大的（厘米级别）单域液晶聚合物是比较困难的。最近墨水直写 (DIW) 3D 打印技术在液晶弹性体设备制造中的应用为生产任意大小的单域材料提供了一条新途径（图1c）。在 DIW过程中，当聚合物树脂通过针头挤出时，液晶低聚物被剪切排列成单域，随后将低聚物光交联成网络来固定该状态。该种方法可以通过打印头的运动方向来控制液晶弹性体在每一个打印层中的力学各向异性（图1d）。

  近期，美国科罗拉多丹佛分校于凯团队与Yakacki团队合作，采用DIW三位打印技术打印体积最大为 12 × 12 × 7.5 mm³ 的单畴液晶弹性体试样（图 1e）。这是迄今为止报道的三位打印的最大单域液晶弹性体材料。通过偏振显微镜观察单个打印层时，可以清晰地观察到打印材料的单畴液晶排列（图 1f）。DIW 打印的液晶弹性体的局部机械响应可以通过打印方向的设计进行优化控制。图 1g展示了DIW 打印的双条带试样。在单轴拉伸过程中，由于材料的软弹性，垂直取向区域的变形程度远大于平行取向区域。

  图1h显示单域液晶弹性体在准静态加载速率下的单轴拉伸与压缩的实验结果。单拉伸方向平行于打印方向时，液晶弹性体会产生传统的弹性响应（右上象限）。相比之下，在垂直于打印方向上拉伸时，液晶弹性体在整个软弹性平台上表现出接近零的模量。在压缩（左下象限）中，可以看到类似的各向异性响应。但有两个不同之处在于其各向异性的表观幅度小于拉伸时所见的幅度。这是因为压缩时可能的最大应变远小于拉伸时的应变。

  该团队将DIW打印的单域液晶弹性体的力学性能与等效的多畴液晶弹性体和传统的聚合物弹性体材料进行了比较。研究表明，在准静态速率下，单域软弹性液晶弹性体耗散了45% 的应变能，而多畴液晶弹性体耗散了不到 20%。在高达 3000 1/s 的应变率下，单域多畴液晶弹性体始终表现出最接近理想的冲击吸收器的力学行为。冲击测试表明单域液晶弹性体可以有效降低冲击程度。其所对应的Gadd 冲击指数比普通的各向同性弹性体低 40%。

图1. （a）多域和单域液晶弹性体中晶体结构排列的图示。（b）晶体结构与分子链的旋转导致材料的软弹性力学行为。（c）当通过 DIW 3D 打印机的喷嘴挤出并光交联成弹性体时，液晶低聚物中的晶体结构会发生剪切排列。（d）打印方向决定了液晶指向，因此可以制备晶体任意排列的液晶弹性体。（e）DIW 3D 打印厘米级别液晶弹性体的示例。（f）单个印刷层的偏振显微镜图片。（g）液晶弹性体的机械各向异性和软弹性响应。拉伸或压缩方向分别平行或垂直于晶体结构的排布方向。

  屈曲变形为功能结构机械能的耗散提供了额外的模式。该研究还显示通过控制打印方向，可以对单域液晶弹性体的屈曲模式实现有效控制。如图2所示，三个高纵横比的液晶弹性体支柱被分别打印出来。打印方向与压缩方向分别成0°、45° 和 90°夹角。当沿着结晶方向压缩时，液晶弹性体显示软弹性力学行为，材料内部出现微观屈曲。当垂直于液晶方向压缩时，液晶弹性体展现出宏观屈曲不稳定性。当二者夹角为45°时，所有屈曲效应都被抑制。打印样件表现出更经典的弹性响应。这种通过打印方向控制结构屈曲模式的方法打开了模仿生物材料力学的大门。

图2. 单域液晶弹性体的压缩屈曲测试，材料内部晶体方向分别 (a) 平行，(b) 垂直和 (c) 与压缩轴成 45°。

  该工作以“Soft Elasticity Optimises Dissipation in 3D-Printed Liquid Crystal Elastomers”为题发表在《Nature Communications》上。文章第一作者是科罗拉多大学丹佛分校博士后Devesh Mistry。该研究得到国家自然科学基金委、美国能源部、美国橄榄球联盟的资助。

  原文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-021-27013-0