多畴序构材料（如磁性薄膜、液晶弹性体等）的微观基元取向与畴分布决定着材料的宏观性能与功能。这些材料在软驱动器、能量耗散等领域展现出独特优势。然而，微观基元的不可视和难调控特性长期制约着人们对其复杂力学行为的理解与功能设计。
近日，复旦大学徐凡教授团队创制了可视化可编程拟液晶超结构，在宏观尺度成功重现了液晶弹性体等序构材料的微观变形响应，实现了多畴结构相变与反常变形的可视化编程调控。相关研究成果以《多畴材料的可编程力学超结构》(“Programmable mechanical metastructures modeling polydomain materials”)为题发表于 Science Advances 。
液晶弹性体中刚性棒状分子与柔性聚合物链形成的复杂耦合网络，其变形过程只能依赖统计理论间接预测，缺乏直观物理解释。团队打破常规思路，选用成本低廉的硬质聚乳酸（PLA）与柔性热塑性聚氨酯（TPU）作为构筑材料，通过3D打印技术制备带有手性特征的晶格胞元，搭建起宏观尺度的“拟液晶薄膜”（图1）。这种巧妙的设计将分子尺度的序构行为放大到肉眼可见的宏观世界，使不可视的微观变形过程变得清晰可辨。
图1. 从微观到宏观的跨尺度映射：(a)液晶弹性体分子网络与畴结构示意。(b) 宏观拟液晶超材料设计及序构可编程构筑策略。
当对拟液晶超材料（PLCM）薄膜施加拉伸时，材料的响应模式与真实液晶弹性体如出一辙：固支边界下出现非均匀S形剪切，可转动边界下则伴随旋转释放应力（图2(a)-(b)）。为了解释这一现象，研究人员引入微极连续介质理论，将胞元转角设为独立自由度来刻画手性特征，建立的理论模型精准捕捉了实验观测到的边界旋转与应变关系（图2(c)-(d)）。更引人注目的是，随拉伸进行，原本杂乱的畴逐渐对齐，有序度上升至接近1的单畴态（图2(e)）。通过设计初始畴分布（图2(f)），可以观察到与真实液晶弹性体对应的多畴-单畴（P-M）相变演化过程（图2(g)）。
图2. PLCM薄膜力学响应与相变行为：(a)-(b) LCE与PLCM薄膜在不同条件下的拉伸变形对比。(c)-(d) 边界旋转角度实验测量与理论预测。(e) 拉伸过程中有序度变化。(f)-(g) 多畴分布设计及与真实LCE相变过程对比。
在力学响应的精细调控方面，通过设计胞元间不同的连接方式，从简单铰接到模拟分子缠结的复杂拓扑，成功再现了液晶弹性体标志性的“软弹性”和“半软弹性”平台现象（图3(a)-(b)）。实验表明，当软梁与刚性指向基元渐进脱粘时，应力-应变曲线出现长平台区（图3(c)-(e)），为理解真实材料中半软响应的微观起源提供了力学证据。基于多畴分布设计，可以使条带受拉伸时不遵循常规“拉直”规律，反而产生Zigzag弯折（图4）。理论计算、有限元仿真与实验验证了这一违反直觉的现象，展现了序构编程在复杂变形模式设计中的独特优势。
图3. 软/半软弹性力学行为再现：(a) 软弹性与半软弹性曲线示意。(b) PLCM与LCE应力-应变对比。(c) 不同交联拓扑下的力学响应。(d) 微结构变形演化。(e) 缠结单元中软梁脱粘过程。
视频2. 可编程软/半软弹性力学行为设计。
图4. 多畴PLCM反常变形：(a)-(b) Zigzag变形实验。(c) 变形幅值实验与计算对比。(d) 理论与有限元验证。
视频3. 反常Zigzag拉伸-弯曲变形实验。
拟液晶超材料的可编程特性还延伸至信息编码领域。利用胞元刚性体旋转方向的二进制编码原理（图5(a)），可实现应变触发的视觉信息加密“FDU”图案在拉伸下隐藏，卸载后重现（图5(b)）；应变解码器可在特定应变下显示九宫格信息（图5(c)）；应变触发的图像重构则能在指定变形量下呈现完整“花朵”图案（图5(d)）。这些功能展示了多畴超材料在动态信息存储与显示方面的应用潜力。
研究成果为理解多畴材料复杂宏观性能背后的微观拓扑变形机制搭建了可视化桥梁，也为多畴材料的精确制备与功能设计提供了全新策略。研究团队计划进一步拓展这一方法，推动智能超材料在软体机器人、柔性电子等领域的应用。
图5. 应变触发的信息编码与解码设计。
视频4. PLCM动态图案信息编码演示。
复旦大学智能机器人与先进制造创新学院助理教授杨易凡、博士生张晓亮为论文共同第一作者，徐凡教授是论文的通讯作者，论文合作者包括博士生林昕琦、同济大学助理教授汪婷。研究得到国家杰出青年科学基金、上海市基础研究特区计划、上海市教委等资助。
