液晶彈性體（LCE）因其優異的可編程性和快速可逆驅動特性，成為軟體機器人、人造肌肉和柔性驅動器等應用領域的研究熱點之一。這些特性來源於其各向異性液晶分子（LC）與彈性交聯網路的耦合，澄清LCE力學和傳熱各向異性與微觀結構的關聯是實現其可控編程特性關鍵。現有的研究大多致力於低頻下LCE物理特性的探索，然而一些新興的高頻應用，例如5G通訊和射頻系統封裝，亟須獲取LCE高頻物理特性。
針對這一問題，同濟大學倉鈺、東京工業大學Morikawa教授、美國賓夕法尼亞大學楊澍教授課題組和德國馬普高分子所George Fytas教授利用布里淵光譜獲得了LCE吉赫茲頻率下彈性模量各向異性，以及利用溫度波分析方法得到了其傳熱各向異性。其中彈性模量的各項異性在高頻與低頻下存在較大差異，反映了局部介晶取向與網路鏈取向的不同，通過表徵彈性模量隨應變依賴性，發現LC 的力學Fréedericksz 轉變，區別於大多數LCE的軟彈性。而且熱導率各向異性受到LC取向以及網路結構的共同作用。這項工作揭示了不同尺度的熱彈性各向異性，研究成果以 「On the origin of elasticity and heat conduction anisotropy of liquid crystal elastomers at gigahertz frequencies」 為題，近期發表於《自然-通訊》（Nature Communications 2022, 13, 524）上。
圖1. 彈性波在液晶彈性體中的傳播
LCE是典型的橫向各向同性材料，與各向同性材料相比，其獨立的彈性常數由2個增加到5個。通過傳統破壞性測試方法較難獲得完整的彈性常數，作者通過布里淵光譜儀檢測吉赫茲聲子在材料內部各個方向的傳播速度，利用Christoffel方程解析得到5個彈性常數以及各向異性的彈性模量，泊松比等。與拉伸測試得到的靜態楊氏模量各向異性（E||/E⊥）相比，高頻E||,BLS/E⊥,BLS的數值較低且恆定不變，不隨交聯密度以及製備過程中摩擦取向的程度變化。由於高頻各向異性與介晶分子取向相關，該結果表明局部介晶取向與網路鏈的更大規模取向之間存在差異。
圖2 聲速隨應變增加的變化
除此以外，在拉伸過程中高頻聲速及其各向異性表現出魯棒性。當應力沿著液晶彈性體取向方向拉伸時，其液晶分子取向沒有發生變化，因此聲速保持不變。然而當沿著垂直方向拉伸時，恆定不變的聲速卻出乎意料，因為通過應力應變圖，液晶彈性體表現出軟彈性，換而言之，液晶分子會發生連續性的轉動直至平行於應力方向取向。然而聲速的魯棒性表面液晶分子並非發生連續的轉動，而是發生了力學 Fréedericksz 轉變，即在某一應變下，液晶分子發生瞬間轉動，而非連續的過程。液晶彈性體熱導率也表現出各向異性，然而與液晶分子的熱導率各向異性相比，液晶彈性體熱導率和聲子平均自由程的各向異性不僅與液晶分子的結構各向異性相關，還受到交聯網路的影響。
總結：這項工作揭示了液晶彈性體不同長度尺度的各向異性特徵，為按需編程液晶彈性體的設計及其高頻應用提供了見解。
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來源：高分子科學前沿
