液晶弹性体（LCE）因其优异的可编程性和快速可逆驱动特性，成为软体机器人、人造肌肉和柔性驱动器等应用领域的研究热点之一。这些特性来源于其各向异性液晶分子（LC）与弹性交联网络的耦合，澄清LCE力学和传热各向异性与微观结构的关联是实现其可控编程特性关键。现有的研究大多致力于低频下LCE物理特性的探索，然而一些新兴的高频应用，例如5G通讯和射频系统封装，亟须获取LCE高频物理特性。
针对这一问题，同济大学仓钰、东京工业大学Morikawa教授、美国宾夕法尼亚大学杨澍教授课题组和德国马普高分子所George Fytas教授利用布里渊光谱获得了LCE吉赫兹频率下弹性模量各向异性，以及利用温度波分析方法得到了其传热各向异性。其中弹性模量的各项异性在高频与低频下存在较大差异，反映了局部介晶取向与网络链取向的不同，通过表征弹性模量随应变依赖性，发现LC 的力学Fréedericksz 转变，区别于大多数LCE的软弹性。而且热导率各向异性受到LC取向以及网络结构的共同作用。这项工作揭示了不同尺度的热弹性各向异性，研究成果以 “On the origin of elasticity and heat conduction anisotropy of liquid crystal elastomers at gigahertz frequencies” 为题，近期发表于《自然-通讯》（Nature Communications 2022, 13, 524）上。
图1. 弹性波在液晶弹性体中的传播
LCE是典型的横向各向同性材料，与各向同性材料相比，其独立的弹性常数由2个增加到5个。通过传统破坏性测试方法较难获得完整的弹性常数，作者通过布里渊光谱仪检测吉赫兹声子在材料内部各个方向的传播速度，利用Christoffel方程解析得到5个弹性常数以及各向异性的弹性模量，泊松比等。与拉伸测试得到的静态杨氏模量各向异性（E||/E⊥）相比，高频E||,BLS/E⊥,BLS的数值较低且恒定不变，不随交联密度以及制备过程中摩擦取向的程度变化。由于高频各向异性与介晶分子取向相关，该结果表明局部介晶取向与网络链的更大规模取向之间存在差异。
图2 声速随应变增加的变化
除此以外，在拉伸过程中高频声速及其各向异性表现出鲁棒性。当应力沿着液晶弹性体取向方向拉伸时，其液晶分子取向没有发生变化，因此声速保持不变。然而当沿着垂直方向拉伸时，恒定不变的声速却出乎意料，因为通过应力应变图，液晶弹性体表现出软弹性，换而言之，液晶分子会发生连续性的转动直至平行于应力方向取向。然而声速的鲁棒性表面液晶分子并非发生连续的转动，而是发生了力学 Fréedericksz 转变，即在某一应变下，液晶分子发生瞬间转动，而非连续的过程。液晶弹性体热导率也表现出各向异性，然而与液晶分子的热导率各向异性相比，液晶弹性体热导率和声子平均自由程的各向异性不仅与液晶分子的结构各向异性相关，还受到交联网络的影响。
总结：这项工作揭示了液晶弹性体不同长度尺度的各向异性特征，为按需编程液晶弹性体的设计及其高频应用提供了见解。
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来源：高分子科学前沿
