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  液晶彈性體最令人興奮但的特性之一是其卓越的能量吸收與耗散行為。這源于材料內部的晶體結構在外力作用下發生旋轉，從而極大程度地吸收外界機械能。據報道，某些液晶彈性體能量損耗角正切值 (tanδ）可高達 1.5，遠大于普通彈性聚合物的損耗水平 （~0.1）。由于其獨特的力學性能，液晶彈性體可廣泛應用于抗沖擊保護裝置之中。

  單域（monodomain）液晶彈性體內部的晶體結構朝某一方向定向排布（圖1a）。如果外界載荷垂直于晶體方向，該材料可展現出類似于理想耗散器的力學軟彈性行為以及最高級別的能量耗散率（圖1b）。盡管有這種特殊的機械性能，目前只有少數已發表的關于單域液晶彈性體耗散性能及其應用的論文。一個重要的原因是合成足夠大的（厘米級別）單域液晶聚合物是比較困難的。最近墨水直寫 (DIW) 3D 打印技術在液晶彈性體設備制造中的應用為生產任意大小的單域材料提供了一條新途徑（圖1c）。在 DIW過程中，當聚合物樹脂通過針頭擠出時，液晶低聚物被剪切排列成單域，隨后將低聚物光交聯成網絡來固定該狀態。該種方法可以通過打印頭的運動方向來控制液晶彈性體在每一個打印層中的力學各向異性（圖1d）。

  近期，美國科羅拉多丹佛分校于凱團隊與Yakacki團隊合作，采用DIW三位打印技術打印體積最大為 12 × 12 × 7.5 mm³ 的單疇液晶彈性體試樣（圖 1e）。這是迄今為止報道的三位打印的最大單域液晶彈性體材料。通過偏振顯微鏡觀察單個打印層時，可以清晰地觀察到打印材料的單疇液晶排列（圖 1f）。DIW 打印的液晶彈性體的局部機械響應可以通過打印方向的設計進行優化控制。圖 1g展示了DIW 打印的雙條帶試樣。在單軸拉伸過程中，由于材料的軟彈性，垂直取向區域的變形程度遠大于平行取向區域。

  圖1h顯示單域液晶彈性體在準靜態加載速率下的單軸拉伸與壓縮的實驗結果。單拉伸方向平行于打印方向時，液晶彈性體會產生傳統的彈性響應（右上象限）。相比之下，在垂直于打印方向上拉伸時，液晶彈性體在整個軟彈性平臺上表現出接近零的模量。在壓縮（左下象限）中，可以看到類似的各向異性響應。但有兩個不同之處在于其各向異性的表觀幅度小于拉伸時所見的幅度。這是因為壓縮時可能的最大應變遠小于拉伸時的應變。

  該團隊將DIW打印的單域液晶彈性體的力學性能與等效的多疇液晶彈性體和傳統的聚合物彈性體材料進行了比較。研究表明，在準靜態速率下，單域軟彈性液晶彈性體耗散了45% 的應變能，而多疇液晶彈性體耗散了不到 20%。在高達 3000 1/s 的應變率下，單域多疇液晶彈性體始終表現出最接近理想的沖擊吸收器的力學行為。沖擊測試表明單域液晶彈性體可以有效降低沖擊程度。其所對應的Gadd 沖擊指數比普通的各向同性彈性體低 40%。

圖1. （a）多域和單域液晶彈性體中晶體結構排列的圖示。（b）晶體結構與分子鏈的旋轉導致材料的軟彈性力學行為。（c）當通過 DIW 3D 打印機的噴嘴擠出并光交聯成彈性體時，液晶低聚物中的晶體結構會發生剪切排列。（d）打印方向決定了液晶指向，因此可以制備晶體任意排列的液晶彈性體。（e）DIW 3D 打印厘米級別液晶彈性體的示例。（f）單個印刷層的偏振顯微鏡圖片。（g）液晶彈性體的機械各向異性和軟彈性響應。拉伸或壓縮方向分別平行或垂直于晶體結構的排布方向。

  屈曲變形為功能結構機械能的耗散提供了額外的模式。該研究還顯示通過控制打印方向，可以對單域液晶彈性體的屈曲模式實現有效控制。如圖2所示，三個高縱橫比的液晶彈性體支柱被分別打印出來。打印方向與壓縮方向分別成0°、45° 和 90°夾角。當沿著結晶方向壓縮時，液晶彈性體顯示軟彈性力學行為，材料內部出現微觀屈曲。當垂直于液晶方向壓縮時，液晶彈性體展現出宏觀屈曲不穩定性。當二者夾角為45°時，所有屈曲效應都被抑制。打印樣件表現出更經典的彈性響應。這種通過打印方向控制結構屈曲模式的方法打開了模仿生物材料力學的大門。

圖2. 單域液晶彈性體的壓縮屈曲測試，材料內部晶體方向分別 (a) 平行，(b) 垂直和 (c) 與壓縮軸成 45°。

  該工作以“Soft Elasticity Optimises Dissipation in 3D-Printed Liquid Crystal Elastomers”為題發表在《Nature Communications》上。文章第一作者是科羅拉多大學丹佛分校博士后Devesh Mistry。該研究得到國家自然科學基金委、美國能源部、美國橄欖球聯盟的資助。

  原文鏈接: https://www.nature.com/articles/s41467-021-27013-0