近日，UCLA JinLihua团队在 PNAS 发表了题为Fracture of liquid crystal elastomers的最新研究，揭示了液晶弹性体（LCE）中一种全新的断裂机制。这种材料因其“有序度-力”耦合的分子结构，在拉伸断裂过程中，裂纹竟然会“自动变道”！

  该工作不仅提出了裂纹与液晶指向矢耦合的新观点，还建立了一个速率相关、各向异性的相场断裂模型，能够在未知裂纹路径的情况下准确预测断裂行为，为未来智能材料与生物材料的断裂设计提供了新思路。

裂纹不再走直线：实验揭示裂缝“弯弯绕”

  在传统高分子材料中，裂纹通常沿着应力集中方向扩展，比如纤维增强材料中的裂纹往往平行于纤维方向。

  但在液晶弹性体中，情况发生了惊人的变化。

  研究人员对具有不同初始指向矢（即液晶排列方向）的单畴LCE样品进行拉伸，观察到：

  - 裂纹不会简单延续原有方向，而是逐渐偏转至与当前液晶主指向矢垂直的方向；
  - 不同拉伸速率下，裂纹偏转角度也不同；
  - 在某些几何条件下，裂纹甚至出现“先上再下”的复杂路径。

图1：实验中对具有倾斜初始液晶指向矢的LCE样品进行拉伸。图中展示了应力-应变曲线，以及不同阶段样品中裂纹的实际传播路径。

液晶指向矢决定裂纹走向：建立新型相场模型

  为了理解上述复杂行为，研究人员建立了一个速率相关、指向矢耦合的相场断裂模型，其核心假设为裂纹倾向于垂直于当前液晶指向矢扩展。

  这个模型能处理不同初始指向矢角度，不同拉伸速率；不同几何尺寸（如短宽 vs 长窄样品），多裂缝交互作用等复杂情况的裂纹扩展行为。

图2：相场模型预测的裂纹扩展路径与实验一致，尤其是材料断裂松弛后所形成的断裂路径被准确还原。图中还显示了裂纹尖端前方的液晶指向矢分布，可见指向矢几乎垂直于最终裂纹路径，与模型的核心假设一致。

  这项工作首次从热力学出发、引入非平衡粘弹性和液晶各向异性，建立一个能预测裂纹路径的新模型。未来可以通过设计液晶指向矢的空间分布，实现对裂纹路径的主动引导，在智能材料、防裂器件、生物组织等领域具有潜在价值。

  论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2510727122