SAXS顶刊案例分析—Science,386, 1161–1168 (2024):液晶弹性体

论文题目：Programming liquid crystal elastomers for multistep ambidirectional deformability
期刊|卷|页码：Science,386, 1161–1168 (2024)

通讯作者：Michael M. Lerch & Xiaoguang Wang & Joanna Aizenberg

文章摘要

双向性，是自然界中常见的，结构元素能够在两个相反方向上超越参考状态移动的能力。然而，传统的软材料通常仅限于单一的单向变形，除非使用复杂的混合结构。作者利用介晶自组装、聚合物链弹性和聚合诱导应力的组合，设计了具有两种中间相的液晶弹性体：V字形近晶C相（cSmC）和近晶A相（SmA）。诱导cSmC-SmA-各向同性相变导致微观结构中应变场的异常反转，从而产生相反的变形模式（例如，连续的收缩或膨胀，以及右旋或左旋的扭曲和倾斜，方向相反）和高频非单调振荡。这种双向运动是可扩展的，并且可以用于在宏观尺度上生成高斯变换。

SAXS实验信息

实验光源: National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) of Brookhaven National Laboratory

波长/能量：16.10 keV

原位设备：Linkam HFSX350-GI heating/cooling stage

探测器：Pilatus 1M detector, Pilatus 300K-W, Pilatus 900K-W

分析方法及结论

在本文中，SAXS/WAXS被用于实验验证液晶弹性体的相变过程。

SAXS：

研究LCE材料的长程有序结构，如近晶相（Smectic）的层状排列和层间距（d-spacing）。
分析材料在不同温度下的相变行为（如cSmC-SmA-各向同性相变）。
揭示微观应变场的反转机制，解释双向变形（ambidirectional deformability）的起源。
WAXS：

研究LCE材料的短程有序结构，如分子间的排列和取向。
分析液晶基元（mesogen）的取向有序性（orientational order）及其在相变中的变化。

LCE样品被制备成薄膜或纤维形式，以确保X射线能够穿透并产生清晰的散射信号。样品经过编程处理，以诱导特定的相变（如cSmC-SmA-各向同性相变）。通过 WAXS/SAXS 实验，研究人员验证了端基液晶弹性体在不同温度下的相行为，包括 **Iso 相**、**SmA 相** 和 **cSmC 相** 的转变。实验结果表明，这些相变是由材料的化学结构决定的，并且与MD模拟和显微镜观察结果一致。

作者使用端基介晶和光引发剂进行了磁场排列和光聚合实验，未使用 HDDA 交联剂。测量室处于空气气氛中，但在整个实验过程中持续通入氮气。在 100°C 时，系统处于各向同性相（Iso 相）。冷却至 40°C 时，形成向列相（N 相），随后通过 UV 诱导聚合转变为人字形近晶 C 相（cSmC 相）。在聚合之前，SAXS 区域的峰标记为 pmono。在 cSmC 相中，SAXS 区域的三组峰从内向外分别标记为 p1c、p2c 和 p3c。这三组峰可能表明 cSmC 相中介晶堆积的多态性，允许同时形成具有不同特征厚度的层状结构，这些厚度差异源于单个层状结构中分子数量的不同。实验提供了 WAXS 和 SAXS 光谱的径向积分（-180° 至 180°）。值得注意的是，在 p1c 和 p2c 之间约 0.2Å⁻¹ 处还存在一个微小的峰（见聚合后 SAXS 光谱的径向积分），推测其来自残留单体。X 射线光束垂直于样品的介晶指向矢（director）照射。