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  近年來，基于光敏液晶彈性體的光化學驅動軟機器和軟體機器人獲得了廣泛的關注與研究。光化學驅動為無系繩驅動，其驅動機理—光化學反應不需要在彈性體中添加額外的吸光顆粒（這些顆粒通常與聚合物網絡不相溶）。光發色團、液晶分子、彈性體網絡的化學組成極大地擴展了不同工作條件下的材料選擇空間。此外，相比于其他驅動方式，光驅動幾乎不依賴光波外的環境因素，如pH、濕度、強電磁場等。合理的設計下，光驅動液晶彈性體可以實現可逆驅動、高頻驅動、大功率驅動。光波中內含的高精度可調控性以及激光的普及，使得光驅動成為微型機器人的極佳選擇。

  光敏液晶彈性體在光化學反應下的大變形理論研究已經展開。然而，現有的理論模型往往專注于某一特定的驅動模式（如桿、板殼的彎曲），并基于這些驅動模式建立等效的熱驅動模型或經驗模型。盡管這些模型取得了一些成功，但它們由于缺少材料中的微觀機理，無法進一步指導探索新的光驅動模式或復雜工況下的材料行為。另一方面，Corbett and Warner (Phys. Rev. Lett. 2006) 結合統計力學與連續介質力學，建立了無外力作用下的光敏液晶彈性體的自由能模型。可是，一個重要的問題仍然沒有得到解答：在光引發變形的液晶彈性體中，不同的機械載荷會對材料驅動產生怎樣的影響？

  為了回答這一問題，美國加州理工學院白若冰博士、Kaushik Bhattacharya教授基于 Corbett and Warner 建立的統計力學與連續介質力學模型，進一步探索了光敏液晶彈性體在光照與機械載荷共同作用下的光-力耦合行為。通過研究系統的平衡態，研究人員發現了液晶向列在偏振光和單軸拉伸下的光排列（photo-alignment）與力排列（mechano-alignment）耦合。與二者相伴產生了彈性體的大變形，以及由非零剪切應變引起的微觀條帶域（stripe domain）。此外，研究人員進一步預測了光驅動引發的向列-各向同性相變（nematic-isotropic phase transition），與之相伴的材料失穩和臨界點，以及描述該相變的光-力相圖。

光化學驅動液晶彈性體的變形機理

  光敏向列型液晶彈性體在受到特定頻率的光照下，可以自發產生顯著的變形，伸長比可超過100%。通過光化學驅動的光敏液晶彈性體通常由普通向列型液晶彈性體中加入光發色團（photochromophores，如偶氮苯azobenzene）組成。當吸收特定頻率的光子后，液晶彈性體中的偶氮苯發生異構化反應，減弱了液晶中的向列序，從而使宏觀的彈性體發生變形（圖1a）。撤離光照或改變光波頻率后，光發色團則可以通過異構化的逆反應使彈性體恢復原本形狀。

圖1. 主鏈光敏向列型液晶彈性體的驅動原理。

理想液晶彈性體的基態變形

  理想液晶彈性體，是指液晶彈性體沒有記憶聚合時液晶向列的原始取向的一種理想情況。基態變形，是指液晶彈性體在不受任何外力或光照的作用下，處于熱力學平衡狀態的可能變形。由于常溫狀態下內部液晶向列可以存在不同取向，并且沒有原始取向記憶，理想液晶彈性體擁有無限多個基態變形。不同的基態變形之間可由參考狀態和當前狀態下的任意兩個剛體旋轉轉換（圖2）。

圖2. 液晶彈性體基態變形的分解。

  正是因為這無限多個基態變形的存在，常溫下液晶彈性體往往擁有豐富的微觀材料形貌，如著名的微觀條帶域（stripe domain），即為兩種基態變形交叉排列構成（圖3）。

圖3. 常溫下向列型液晶彈性體中可能形成的微觀條帶域。

二維液晶彈性體薄板中的光-力耦合

  研究人員將本文的理論應用于分析二維液晶彈性體薄板受光照和機械載荷共同作用下的變形。在無外力作用、線偏振光照射下（圖4左），通過分析材料在平衡狀態時的自由能分布并進行能量最小化（圖4右），研究人員發現，液晶彈性體中的液晶向列取向與光波的偏振方向垂直。這一“光排列”現象由光發色團的光化學反應造成，并會導致彈性體網絡由于液晶向列旋轉而產生大變形。

圖4. 二維液晶彈性體薄板在無外力作用、線偏振光照射下的“光排列”現象。

  研究人員進一步發現，在同時存在單軸拉伸力和線偏振光照射的情況下（圖5左），系統的自由能分布受單軸拉伸力的影響（圖5右）：彈性體中的液晶向列起初與單軸拉伸力平行；隨著光強的增加，向列開始旋轉，并最終與光波的偏振方向垂直。這一過程對應了由“力排列”向“光排列”的轉變。

圖5. 二維液晶彈性體薄板在單軸拉伸力和線偏振光照射下的“力排列”向“光排列”轉變。

光-力耦合下的大變形和條帶域

  光-力耦合下的“力排列”向“光排列”的轉變可以進一步通過液晶彈性體的大變形分析（圖6）。當光強I 很小時，液晶取向由“力排列”主導，因此材料沿單軸拉伸力方向產生大變形，材料中的液晶向列與單軸拉伸力平行。隨著光強增大，液晶取向逐漸由“力排列”主導轉變為“光排列”主導，沿單軸拉伸力方向的變形減小。最終，液晶取向垂直于光的偏振方向（此算例中光的偏振方向與單軸拉伸力方向相同），材料由“光排列”主導。

  值得注意的是，在“力排列”向“光排列”的轉變過程中，材料內部存在非零的剪切應變。這一非零剪切應變為彈性體內形成條帶域提供了條件，從而造成彈性體在宏觀上的平均剪切應變為零（圖6內上示意圖）。

圖6. 光-力耦合下的大變形、非零剪切應變、微觀條帶域。

光驅動引發的向列-各向同性相變與光-力相圖

  當光強進一步增加，液晶彈性體內的向列序會進一步減小，并最終引發類似于溫度升高作用下的向列-各向同性相變。研究人員通過本文的理論模型，繪制了與這一向列-各向同性相變對應的光-力相圖（圖7）。從相圖中可以清晰地看到一階相變對應的相界以及臨界點。

 圖7. 光驅動引發向列-各向同性相變的光-力相圖。

總結與展望

  本文通過統計力學與連續介質力學相結合的理論模型，探索了光敏液晶彈性體在光照與機械載荷共同作用下的光-力耦合行為。其中，液晶彈性體內產生的光排列（photo-alignment）、力排列（mechano-alignment）、向列-各向同性相變（nematic-isotropic phase transition）在不同的材料體系下都有過實驗研究。然而，這些作用相結合引發的光-力耦合在光敏液晶彈性體內的實驗研究才剛剛開始。研究人員希望本文提出的模型對未來的實驗研究有所幫助，并能夠進一步啟發新的光驅動模式。此外，本文的研究有助于解決光驅動機器人在復雜工況下的驅動行為，以及為未來光驅動的動力學模型提供理論指導。

作者及單位

  該研究工作近期發表在固體力學頂級期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids。白若冰博士（哈佛大學博士，加州理工學院博士后，美國東北大學助理教授）為文章第一作者，Kaushik Bhattacharya教授（加州理工學院教授、副教務長）為文章通訊作者。

論文信息與鏈接

  Ruobing Bai, Kaushik Bhattacharya, Photomechanical coupling in photoactive nematic elastomers, Journal of the Mechanics and Physics of Solids (2020).

https://doi.org/10.1016/j.jmps.2020.104115 

招生信息

  白若冰博士將于2021年1月加入美國東北大學機械與工業工程系擔任助理教授。課題組計劃在固體力學，仿生材料，生物材料，活性軟材料，以及軟體機器人方面做跨學科研究，以理論與實驗相結合為主。目前課題組經費和實驗室空間充足，在波士頓及周邊也已有很多待開展的合作。課題組現招收多名博士研究生，2021年春季或秋季入學。課題組也歡迎各個方向的訪問學生和學者。感興趣的老師、同學可訪問網頁https://sites.google.com/view/ruobingbai/home了解以往的研究工作，或直接郵件聯系 ruobing1220@gmail.com 詢問。

  美國東北大學目前US News全美排名：#31 in Best Graduate Engineering School, #40 in National Universities, and #1 in Best Co-op/Internships。學校科研投入力度大，并和工業界合作緊密。東北大學坐落于波士頓市中心，臨近波士頓大學、麻省理工、哈佛大學、波士頓學院、塔夫茨大學等，非常容易建立聯系。波士頓為美國一流的科技、文化、教育中心，極具包容性，是生活與就業的理想選擇。

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