液晶聚合物内部独特的芳香晶体结构（mesogen）在外力作用下发生旋转。该过程可以在粘弹性松弛基础之上进一步提高聚合物材料的能量耗散水平。作为一种变革性材料，液晶聚合物在结构抗冲击与振动、生物医学设备与组织替代品、以及人类防护设备等领域有广泛的应用前景。

  为了研究液晶聚合物在不同加载速率下的能量耗散行为，将材料微观晶体结构与宏观机械变形联系起来至关重要。目前，广角 X 射线散射是表征液晶聚合物晶体结构排布的最常用技术。然而，该技术的一个主要局限是数据采样速度低。通常至少需要五分钟才能获得一组晶体结构排列度的实验数据。因此，这种方法仅限于材料的平衡状态下的物理表征，不能用于研究材料速率相关的耗散行为。

  近期，美国科罗拉多大学丹佛分校于凯团队首次证明使用偏振可见光进行光学测量是一种可靠且易于使用的方法来实时表征液晶聚合物分子链的排列和重新定向。研究表明，拉伸状态下的液晶聚合物的分子链定向排列，可以像偏振片一样过滤透射偏振光（图1a）。通过比较平行方向与垂直方向透射光强，可以评估材料分子链的整体定向程度。该研究还采用傅里叶偏振红外光谱分析对实验结果来进行校准（图1b）。校准之后，结合单轴拉伸试验得到不同应变下材料分子链的定向系数（图1c）。再结合应力松弛测试最终得到晶体结构在定向过程中的松弛时间（图1d）。另一方面，当外界加载方向与分子链方向不平行时，晶体结构会在载荷的作用下重新定向（图2a）。通过偏振光测试，该研究表明晶体结构的变化与外界加载速率关联不大（图2b与2c ）。说明晶体结构的旋转速率远高于所采用的加载速率。总的来说，这项研究建立了液晶聚合物宏观变形与微观网络结构之间的关系，为材料合成、加工和应用提供了宝贵的见解。该测试技术还可以潜在地扩展到其他类型的聚合物之中，以从实验和理论的角度来研究材料的结构-性能关系。

图1. (a)偏振光测试晶体结构定向的实验装置示意图。光偏振和拉伸方向之间的夹角表示为α。(b) 傅里叶偏振红外光谱分析实验装置示意图。（c）不同应变下液晶聚合物晶体结构的定向系数。红外光谱分析结果用于校准偏振光测试结果。（d）不同应变下晶体结构的定向松弛时间。

图2. (a)偏振光测试晶体结构旋转与重新定向的实验装置示意图。（b）液晶聚合物在连续拉伸状态下偏振光的透射系数。不同拉伸速率下，材料的透射系数区别不大。(c) 拉伸结束后，液晶聚合物应变稳定在100%。材料的透射系数无明显变化。

  该工作以“Real-Time Alignment and Reorientation of Polymer Chains in Liquid Crystal Elastomers”为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上（doi.org/10.1021/acsami.1c20082）。文章第一作者是科罗拉多大学丹佛分校博士研究生罗超谦。该研究得到国家自然科学基金委和美国能源部的支持。

  原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.1c20082s