理論物理所在軟物質物理理論研究中獲進展

　　液晶彈性體的宏觀形狀變化與內部微觀液晶單元指向之間的耦合，使得通過調節液晶彈性體內部液晶單元的取向序進行機械做功成為可能。液晶分子排列良好的單疇液晶彈性體具有優秀的機械性能，如可逆的大應變變形、高強度和優異的韌性等。然而，由于隨機淬火效應難以實現液晶單元的均一排列以及該材料的不可回收性（與其他常見熱固性材料類似），液晶彈性體至今無法在工業中廣泛應用。為了克服上述困難，2014年，科學家制備了鍵交換型液晶彈性體。與液晶彈性體中交聯鍵能壘較高致使交聯鍵難以重組不同，鍵交換型液晶彈性體中的鍵交換反應速率可通過加入催化劑和改變溫度等手段調節。盡管現階段在制備不同的鍵交換型液晶彈性體方面取得了實驗進展，但缺乏剖析此類液晶彈性體物理特性的理論框架，而構建此理論的困難來源于動態演化的向列序，聚合物材料的熵彈性和鍵交換反應引起的能量耗散等多種物理因素耦合。

　　近日，中國科學院理論物理研究所孟凡龍課題組，通過考慮微尺度鍵交換反應，構建了鍵交換型液晶彈性體的連續體理論模型，揭示了鍵交換型液晶彈性體在不同的應用場景中可能呈現的普適性流變學特性。

　　應力遲豫：通過施加固定幅度的形變，鍵交換型液晶彈性體會在施加形變的同時產生向列序。此后，鍵交換型液晶彈性體的應力會隨時間指數衰減，同時伴隨著向列序的序參量隨時間呈現指數衰減。

　　固定應變速率時的應力-應變關系：通過施加固定應變速率的應變，鍵交換型液晶彈性體的應力-應變曲線會呈現先增后減的非單調特性，其中曲線的最高點被定義成應變屈服點（yielding point）。由于形變與向列序的耦合，鍵交換型液晶彈性體的應力-應變響應比無向列序的類玻璃體（vitrimer）“更軟”。增加固定的應變速率，鍵交換型液晶彈性體的應力-應變曲線會向上移，并接近交聯鍵永久型液晶彈性體的應力-應變曲線。

　　蠕變屈服：通過施加固定幅度的應力，鍵交換型液晶彈性體會產生瞬時應變。由于鍵交換反應帶來的能量耗散，應變會隨著時間增加，如液體般呈現“流動”的特性。科研人員通過定義有效黏度發現，有效黏度會隨著固定應力的增加而減小。同時，該研究通過分析應變的時間演化發現，鍵交換型液晶彈性體有應變變稀的行為。

　　近日，相關研究成果發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。