压缩应力形状编程液晶弹性体及聚合物分散液晶弹性体复合材料的力学各向异性

会记住形状的软材料

设想一块橡胶状的块体，不仅在受压或加热时会改变形状，而且还能“记住”该新形状，并且对来自不同方向的按压有不同反应。本研究探讨了由液晶弹性体及其复合材料构成的此类形状记忆软材料。研究表明，仅通过压缩就能将这些材料编程为具有内在方向性强度的结构，为未来的软体机器人、自适应坐垫和能智能响应力的防护部件提供了新的思路。

智能橡胶的构成要素

核心成分是一种特殊的橡胶，称为液晶弹性体。在这种橡胶内部，细长的棒状分子可以自发排列，有点像木纹的纤维大体指向同一方向。加热时，材料变得非常柔软；冷却时变硬并把高温时的形状锁定住。研究者首先研究了仅由该材料构成的固体块。通过在受压的同时循环温度，他们可以将块体挤压成新的形状，然后冷却使新几何形状被冻结。该过程使他们能够选择内部分子棒的取向，从而控制块体在不同方向受力时的力学表现。

教材料在一个方向上更抗力

当团队压缩纯液晶橡胶时，发现其刚度变得明显有方向性。材料在被压缩的方向上变得更软，而在横向方向变得更硬。这种行为表明内部的分子棒已旋转成主要横跨压缩方向的排列模式，而不是沿压缩方向排列。用物理学的术语来说，这是一个通过拉伸难以达到的“负”取向状态。通过力学测量和现有理论，作者估算在强压缩下，内部分子棒接近几乎完全横向的排列。将材料加热回某一相变温度以上可以抹去形状和这种方向性行为，表明该效应是可完全重编程的。

在软基体中分散智能颗粒

接着，研究者在一种类似商用密封剂的普通硅胶中嵌入相同液晶橡胶的小颗粒，制成一种称为聚合物分散液晶弹性体的复合材料。在该混合物中，硅胶作为一种柔软且对方向不敏感的背景，而微小的夹杂体携带形状记忆和方向特征。将复合材料块压缩并循环加热冷却后，它也能记住新形状。其刚度同样在压缩方向下降、横向上升，尽管变化比纯材料更温和，因为硅胶基体稀释了该效应。显微镜观察显示，最初或多或少呈圆形的夹杂体被压扁成盘状，其内部分子棒位于盘面内，并总体横向于所施加的应力排列。

颗粒形状与间距如何控制行为

团队随后考察了这些智能颗粒的含量与间距如何影响复合材料的响应。在中等填充量下，颗粒几乎相互接触但不完全接触，复合材料表现出与纯橡胶相似的强方向性。在低填充量下，每个颗粒可以更自由地变形，同样产生明显的方向效应，但整体刚度较低，因为颗粒之间有更多柔软的硅胶。在非常高的填充量下，颗粒相互拥挤，复合材料仍能记住其形状，但又变得近乎方向无关：没有足够的空间让每个颗粒被压扁并有序排列。为了解释这些趋势，作者改编了标准的工程模型，将复合材料的刚度与颗粒形状、取向和浓度联系起来，展示了颗粒几何形状的变化及其内部分子取向两者都至关重要。

对未来软装置的意义

通俗地说，这项工作展示了如何调控一种类似橡胶的软材料，使其既可以被压缩成所需形状，又可以被编程为在某些方向上比其他方向更坚硬。纯液晶橡胶能提供最强的方向性变化，但将其分散到硅胶基体中则使材料更易成型、更经济，并且仍然相当可编程。通过选择添加多少活性颗粒以及如何施加压缩，设计者可以在近乎均匀响应和强烈单侧刚度之间进行调节，且这一切都是可重置的。这种控制能力可为下一代软体机械、可穿戴支撑件和随使用情况自适应的缓冲零件提供基础。

引用: Lavrič, M., Racman Knez, L., Domenici, V. et al. Mechanical anisotropy in compressive-stress shape-programmed liquid crystal elastomers and polymer-dispersed liquid crystal elastomer composites. npj Soft Matter 2, 8 (2026). https://doi.org/10.1038/s44431-026-00022-z

关键词: 液晶弹性体, 形状记忆材料, 软复合材料, 力学各向异性, 智能聚合物