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  多疇材料廣泛存在于磁性薄膜和液晶彈性體等體系中，其微觀基元取向和疇分布與材料宏觀性能和功能密切相關，在軟驅動器、能量耗散系統等領域具有廣闊應用前景。然而，傳統實驗方法難以實現分子尺度微觀基元的直觀觀測與精準調控，限制了人們對多疇材料復雜力學響應機制的深入理解和新型功能材料的理性設計。

  2025年10月3日，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》(2025, 11, eadz9811)。

  對于多疇液晶彈性體（LCE），由于微觀剛性液晶棒狀分子與柔性高分子鏈的配對耦合關系復雜，基于統計理論的均質化本構模型難以直觀理解并精準描述微觀液晶基元轉動與高分子網絡的協同變形（圖1(a)）。研究人員獨辟蹊徑，通過使用普通的硬質聚乳酸（PLA）與柔性熱塑性聚氨酯（TPU），引入手性參數并利用3D打印設計晶格胞元，構建了宏觀尺度的擬液晶超材料（PLCM），實現了多疇序構材料的宏觀可視化編程設計與調控（圖1(b)）。

圖1. 多疇材料示意圖。(a) 由棒狀分子和聚合物分子鏈組成的液晶彈性體(LCE)網絡結構，以及微觀基元的疇分布與取向。(b) 模擬LCE微觀結構的擬液晶超材料(PLCM)構筑與多疇序構可視化編程設計與構筑。

  擬液晶超材料（PLCM）能夠完美再現真實液晶彈性體在拉伸過程中的獨特力學行為（圖2(a)）。當兩端固支拉伸時，PLCM薄膜出現非均勻剪切S形變形；而對于可轉動邊界，薄膜會跟隨邊界旋轉來釋放剪應力，與真實液晶薄膜一致（圖2(a)）。為了預測這一過程，研究人員建立了基于微極理論的均質化模型。將胞元中剛性塊的旋轉角度作為獨立變量，用以類比液晶基元的轉動并表征材料的手性特征。該理論預測結果與實驗吻合（圖2(c)-(d)），從宏觀尺度解釋了液晶彈性體的非均勻變形機制。另外，PLCM在拉伸過程中展現出明顯的多疇-單疇（P-M）相變行為（圖2(e)），其材料有序度隨應變增加逐漸接近1。通過設計多疇圖案的排列方式（圖2(f)），可以可視化再現真實液晶彈性體的多疇-單疇演化進程（圖2(g)）。

圖2. 擬液晶超材料(PLCM)薄膜單軸拉伸和多疇-單疇(P-M)相變。(a) LCE和PLCM薄膜拉伸-剪切變形。(b) 不同指向矢取向和邊界條件下，LCE和PLCM薄膜拉伸變形響應。(c) 自由端邊界旋轉角度與拉伸應變的關系。(d) 不同邊界條件下理論與有限元預測結果對比。(e) PLCM薄膜拉伸過程中有序度增加。(f) PLCM薄膜中的多疇分布設計，以及與(g)真實LCE拉伸變形過程中有序度演化對比。

視頻1. 擬液晶超材料(PLCM)單軸拉伸與多疇-單疇(P-M)相變演化。

  研究人員進一步靈活調控了擬液晶超材料(PLCM)的應力-應變曲線，從而模擬真實LCE的軟/半軟彈性響應“平臺”特性（圖3(a)）。通過構建基元間不同的交聯拓撲結構（如簡單交聯單元和纏結交聯單元），研究人員發現軟梁（擬高分子鏈）與指向基元（擬液晶指向矢序構）的脫粘會導致顯著的應力平臺現象，從而實現對LCE獨特力學行為的可編程調控（圖3(b)-(d)）。結果表明真實液晶彈性體中的半軟彈性力學響應可能源于分子網絡不完全交聯導致的弱鍵約束（圖3(e)）。

圖3. 擬液晶超材料(PLCM)再現真實LCE的軟/半軟彈性響應。(a) 軟彈性和半軟彈性應力-應變曲線示意圖。(b) PLCM與LCE應力-應變曲線對比。(c) 三種不同交聯拓撲結構下的PLCM應力-應變曲線。(d) 不同交聯拓撲結構下PLCM薄膜拉伸時的微結構變形演化過程。(e) PLCM拉伸時纏結單元中軟梁的脫粘過程。

視頻2. 軟/半軟彈性力學行為的可編程設計。

圖4. 多疇PLCM可編程變形設計。(a)-(b) 單軸拉伸PLCM條帶的反常Zigzag變形實驗。 (c) 實驗和有限元計算中變形幅值對比。(d) 理論預測與有限元模擬結果一致。

視頻3. 擬液晶超材料(PLCM)可編程Zigzag反常拉伸-彎曲變形實驗。

  研究人員通過設計疇的排布取向與分布，實現了受拉伸時的反常Zigzag彎折變形行為（圖4），突破了傳統認知中材料“受拉變直”的變形規律。另外，擬液晶超材料(PLCM)還可實現應變觸發的信息編碼與解碼功能。例如，基于胞元剛性體旋轉方向的二進制編碼（圖5(a)），使用帶有“FDU”符號的多疇排列進行視覺圖案加密，在拉伸下圖案影藏，卸載后圖案重新出現（圖5(b)）；在指定應變下顯示的九宮格應變解碼器（圖5(c)）；應變觸發的圖像信息重構，可在指定應變重構為完整的“花朵”圖案（圖5(d)）。

  研究成果為多疇材料復雜宏觀功能/性能背后所蘊藏的分子尺度拓撲變形機制提供了可視化的理解，也為多疇材料的精確制備與功能基元可編程靈活設計提供了新思路。

圖5. 多疇超材料可視化信息編碼設計。

視頻4. 擬液晶超材料(PLCM)圖案信息編碼。

  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。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adz9811