Sci. Adv.: 擬液晶超結構預測多疇序構材料變形

多疇序構材料（如磁性薄膜、液晶彈性體等）的微觀基元取向與疇分布決定著材料的宏觀性能與功能。這些材料在軟驅動器、能量耗散等領域展現出獨特優勢。然而，微觀基元的不可視和難調控特性長期制約著人們對其復雜力學行為的理解與功能設計。

近日，復旦大學徐凡教授團隊創制了可視化可編程擬液晶超結構，在宏觀尺度成功重現了液晶彈性體等序構材料的微觀變形響應，實現了多疇結構相變與反常變形的可視化編程調控。相關研究成果以《多疇材料的可編程力學超結構》(“Programmable mechanical metastructures modeling polydomain materials”)為題發表于Science Advances。

液晶彈性體中剛性棒狀分子與柔性聚合物鏈形成的復雜耦合網絡，其變形過程只能依賴統計理論間接預測，缺乏直觀物理解釋。團隊打破常規思路，選用成本低廉的硬質聚乳酸（PLA）與柔性熱塑性聚氨酯（TPU）作為構筑材料，通過3D打印技術制備帶有手性特征的晶格胞元，搭建起宏觀尺度的“擬液晶薄膜”（圖1）。這種巧妙的設計將分子尺度的序構行為放大到肉眼可見的宏觀世界，使不可視的微觀變形過程變得清晰可辨。

圖1.從微觀到宏觀的跨尺度映射：(a)液晶彈性體分子網絡與疇結構示意。(b)宏觀擬液晶超材料設計及序構可編程構筑策略。

當對擬液晶超材料（PLCM）薄膜施加拉伸時，材料的響應模式與真實液晶彈性體如出一轍：固支邊界下出現非均勻S形剪切，可轉動邊界下則伴隨旋轉釋放應力（圖2(a)-(b)）。為了解釋這一現象，研究人員引入微極連續介質理論，將胞元轉角設為獨立自由度來刻畫手性特征，建立的理論模型精準捕捉了實驗觀測到的邊界旋轉與應變關系（圖2(c)-(d)）。更引人注目的是，隨拉伸進行，原本雜亂的疇逐漸對齊，有序度上升至接近1的單疇態（圖2(e)）。通過設計初始疇分布（圖2(f)），可以觀察到與真實液晶彈性體對應的多疇-單疇（P-M）相變演化過程（圖2(g)）。

圖2. PLCM薄膜力學響應與相變行為：(a)-(b) LCE與PLCM薄膜在不同條件下的拉伸變形對比。(c)-(d)邊界旋轉角度實驗測量與理論預測。(e)拉伸過程中有序度變化。(f)-(g)多疇分布設計及與真實LCE相變過程對比。

1.擬液晶超材料(PLCM)單軸拉伸與多疇-單疇相變動態演化。

視頻

在力學響應的精細調控方面，通過設計胞元間不同的連接方式，從簡單鉸接到模擬分子纏結的復雜拓撲，成功再現了液晶彈性體標志性的“軟彈性”和“半軟彈性”平臺現象（圖3(a)-(b)）。實驗表明，當軟梁與剛性指向基元漸進脫粘時，應力-應變曲線出現長平臺區（圖3(c)-(e)），為理解真實材料中半軟響應的微觀起源提供了力學證據。基于多疇分布設計，可以使條帶受拉伸時不遵循常規“拉直”規律，反而產生Zigzag彎折（圖4）。理論計算、有限元仿真與實驗驗證了這一違反直覺的現象，展現了序構編程在復雜變形模式設計中的獨特優勢。

圖3.軟/半軟彈性力學行為再現：(a)軟彈性與半軟彈性曲線示意。(b) PLCM與LCE應力-應變對比。(c)不同交聯拓撲下的力學響應。(d)微結構變形演化。(e)纏結單元中軟梁脫粘過程。

視頻2.可編程軟/半軟彈性力學行為設計。

圖4.多疇PLCM反常變形：(a)-(b) Zigzag變形實驗。(c)變形幅值實驗與計算對比。(d)理論與有限元驗證。

視頻3.反常Zigzag拉伸-彎曲變形實驗。

擬液晶超材料的可編程特性還延伸至信息編碼領域。利用胞元剛性體旋轉方向的二進制編碼原理（圖5(a)），可實現應變觸發的視覺信息加密“FDU”圖案在拉伸下隱藏，卸載后重現（圖5(b)）；應變解碼器可在特定應變下顯示九宮格信息（圖5(c)）；應變觸發的圖像重構則能在指定變形量下呈現完整“花朵”圖案（圖5(d)）。這些功能展示了多疇超材料在動態信息存儲與顯示方面的應用潛力。

研究成果為理解多疇材料復雜宏觀性能背后的微觀拓撲變形機制搭建了可視化橋梁，也為多疇材料的精確制備與功能設計提供了全新策略。研究團隊計劃進一步拓展這一方法，推動智能超材料在軟體機器人、柔性電子等領域的應用。

圖5.應變觸發的信息編碼與解碼設計。

視頻4. PLCM動態圖案信息編碼演示。

復旦大學智能機器人與先進制造創新學院助理教授楊易凡、博士生張曉亮為論文共同第一作者，徐凡教授是論文的通訊作者，論文合作者包括博士生林昕琦、同濟大學助理教授汪婷。研究得到國家杰出青年科學基金、上海市基礎研究特區計劃、上海市教委等資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1126/sciadv.adz9811