近日，UCLA JinLihua團隊在 PNAS 發(fā)表了題為Fracture of liquid crystal elastomers的最新研究，揭示了液晶彈性體（LCE）中一種全新的斷裂機制。這種材料因其“有序度-力”耦合的分子結(jié)構(gòu)，在拉伸斷裂過程中，裂紋竟然會“自動變道”！

  該工作不僅提出了裂紋與液晶指向矢耦合的新觀點，還建立了一個速率相關(guān)、各向異性的相場斷裂模型，能夠在未知裂紋路徑的情況下準(zhǔn)確預(yù)測斷裂行為，為未來智能材料與生物材料的斷裂設(shè)計提供了新思路。

裂紋不再走直線：實驗揭示裂縫“彎彎繞”

  在傳統(tǒng)高分子材料中，裂紋通常沿著應(yīng)力集中方向擴展，比如纖維增強材料中的裂紋往往平行于纖維方向。

  但在液晶彈性體中，情況發(fā)生了驚人的變化。

  研究人員對具有不同初始指向矢（即液晶排列方向）的單疇LCE樣品進(jìn)行拉伸，觀察到：

  - 裂紋不會簡單延續(xù)原有方向，而是逐漸偏轉(zhuǎn)至與當(dāng)前液晶主指向矢垂直的方向；
  - 不同拉伸速率下，裂紋偏轉(zhuǎn)角度也不同；
  - 在某些幾何條件下，裂紋甚至出現(xiàn)“先上再下”的復(fù)雜路徑。

圖1：實驗中對具有傾斜初始液晶指向矢的LCE樣品進(jìn)行拉伸。圖中展示了應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及不同階段樣品中裂紋的實際傳播路徑。

液晶指向矢決定裂紋走向：建立新型相場模型

  為了理解上述復(fù)雜行為，研究人員建立了一個速率相關(guān)、指向矢耦合的相場斷裂模型，其核心假設(shè)為裂紋傾向于垂直于當(dāng)前液晶指向矢擴展。

  這個模型能處理不同初始指向矢角度，不同拉伸速率；不同幾何尺寸（如短寬 vs 長窄樣品），多裂縫交互作用等復(fù)雜情況的裂紋擴展行為。

圖2：相場模型預(yù)測的裂紋擴展路徑與實驗一致，尤其是材料斷裂松弛后所形成的斷裂路徑被準(zhǔn)確還原。圖中還顯示了裂紋尖端前方的液晶指向矢分布，可見指向矢幾乎垂直于最終裂紋路徑，與模型的核心假設(shè)一致。

  這項工作首次從熱力學(xué)出發(fā)、引入非平衡粘彈性和液晶各向異性，建立一個能預(yù)測裂紋路徑的新模型。未來可以通過設(shè)計液晶指向矢的空間分布，實現(xiàn)對裂紋路徑的主動引導(dǎo)，在智能材料、防裂器件、生物組織等領(lǐng)域具有潛在價值。

  論文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2510727122