الاستومرهای کریستال مایع

الاستومرهای کریستال مایع (LCEs) شبکه‌های پلیمری کریستال مایع با پیوندهای عرضی کم هستند. این مواد، الاستیسیته آنتروپی یک الاستومر را با خودسازماندهی فاز کریستال مایع ترکیب می‌کنند. در الاستومرهای کریستال مایع، مزوژن‌ها می‌توانند بخشی از زنجیره پلیمری (الاستومرهای کریستال مایع زنجیره اصلی) باشند یا از طریق یک فاصله‌دهنده آلکیل (الاستومرهای کریستال مایع زنجیره جانبی) متصل شوند. [۱]

الاستومرهای کریستال مایع به دلیل خواص تحریک‌پذیری‌شان ، کاندیداهای جذابی برای استفاده به عنوان ماهیچه‌های مصنوعی یا میکروربات‌ها هستند.
وسط|بندانگشتی|بافت فاز نماتیک کریستال مایع

 تاریخچه 
LCE توسط پیر-ژیل دو ژن در سال 1975 پیش‌بینی شد و برای اولین بار توسط هاینو فینکلمن سنتز شد.[2]]P. G. de Gennes: C. R. Hebd. Seances Acad. Sci., Ser. B (1975). S. 101.
وسط|بندانگشتی|پروفسور پیر-ژیل دو ژن

 خواص 
در محدوده دمایی فاز کریستال مایع، جهت‌گیری مزوژن، زنجیره‌های پلیمری را به یک ترکیب کشیده‌شده سوق می‌دهد. گرم کردن نمونه بالاتر از دمای شفاف‌سازی، این جهت‌گیری را از بین می‌برد و ستون فقرات پلیمر می‌تواند به شکل (مطلوب‌تر) یک ترکیب مارپیچ تصادفی شل شود. این می‌تواند منجر به تغییر شکل ماکروسکوپی و برگشت‌پذیر شود. تحریک خوب نیاز به هم‌ترازی خوب جهت‌دهنده‌های دامنه‌ها قبل از اتصال عرضی دارد. این امر را می‌توان با موارد زیر به دست آورد: کشش نمونه از پیش پلیمریزه شده،[3]لایه‌های هم‌تراز نوری[4]، میدان‌های مغناطیسی یا الکتریکی و میکروفلوئیدیک . [5][6]

 خواص مکانیکی 
وسط|بندانگشتی|منحنی تنش-کرنش یک الاستومر کریستال مایع (LCE) در جهت موازی (\sigma_{\parallel}) و عمود (\sigma_{\perp}) نسبت به دایرکتور آن (\hat{n}). الاستیسیته نرم در الاستومرهای کریستال مایعی که در جهت عمود بر \hat{n} کشیده می‌شوند، مشاهده می‌شود.

 الاستیسیته نرم 
به دلیل ناهمسانگردی آنها، پاسخ مکانیکی LCE های نماتیک همسو بسته به جهت تنش اعمال شده متفاوت است. هنگامی که تنش در امتداد جهت همسوسازی (موازی با جهت دهنده ) اعمال می‌شود، کرنش به صورت خطی و با شیبی که توسط مدول یانگ ماده تعیین می‌شود، پاسخ می‌دهد. این رفتار خطی تنش-کرنش تا زمانی که ماده به تنش تسلیم خود برسد، ادامه می‌یابد، که در آن نقطه ممکن است قبل از شکست نهایی، گردنی یا سخت‌شوندگی کرنشی ایجاد شود. شکل منحنی تنش-کرنش برای LCEهایی که به موازات جهت تراز خود کشیده شده‌اند، با اکثر لاستیک‌های کلاسیک مطابقت دارد و می‌توان آن را با استفاده از روش‌هایی مانند الاستیسیته لاستیک توصیف کرد.

در مقابل، هنگامی که تنش عمود بر جهت تراز اعمال می‌شود، رفتار کرنش پاسخی کاملاً متفاوت از خود نشان می‌دهد. برای یک LCE بدون قید، پس از یک ناحیه اولیه که پاسخ تنش-کرنش با پاسخ لاستیک‌های کلاسیک مطابقت دارد، ماده یک فلات بزرگ را نشان می‌دهد که در آن تنش تقریباً ثابت منجر به کرنش فزاینده می‌شود. اصطلاح "الاستیسیته نرم" این ناحیه فلات بزرگ را توصیف می‌کند. [۱] پس از رسیدن به کرنش بحرانی در این ناحیه، پاسخ تنش-کرنش به LCEهایی که در جهت موازی با جهت خود کشیده شده‌اند، بازمی‌گردد.

نظریه‌ای که برای توصیف الاستیسیته نرم استفاده می‌شود، ابتدا برای توضیح مشاهدات تجربی پدیده‌ها در LCEهای بدون قید که در حضور یک میدان الکتریکی خارجی تغییر جهت می‌دهند، مطرح شد. [۱] نظریه الاستیسیته نرم بیان می‌کند که وقتی یک LCE در جهتی عمود بر جهت تراز آن کشیده می‌شود، زنجیره‌های آن می‌چرخند و تغییر جهت می‌دهند تا در جهت تنش اعمال شده تراز شوند. با فرض اینکه زنجیره‌های LCE اجازه حرکت آزادانه در هر سه بعد را دارند، این تغییر جهت بدون تغییر در انرژی آزاد الاستیک سیستم رخ می‌دهد. این نشان می‌دهد که هیچ مانع انرژی برای چرخش زنجیره‌های LCE وجود ندارد، به این معنی که برای تغییر جهت کامل آنها به تنش صفر نیاز است.

از نظر تجربی، برای ایجاد خاصیت ارتجاعی نرم و دستیابی به این چرخش زنجیره، به یک تنش کوچک اما غیر صفر نیاز است. این انحراف از پیش‌بینی نظری به این دلیل است که LCE های واقعی در هر سه بعد واقعاً آزاد نیستند و در عوض از نظر هندسی توسط زنجیره‌های همسایه محدود شده‌اند. در نتیجه، مقداری تنش کوچک و محدود در سیستم‌های تجربی برای ایجاد تغییر جهت زنجیره ضروری است. هنگامی که زنجیره به طور کامل چرخید و موازی با جهت تنش اعمال شده تراز شد، پاسخ تنش-کرنش بعدی دوباره با خاصیت ارتجاعی لاستیک توصیف می‌شود.

از خاصیت ارتجاعی نرم نیز برای توسعه موادی با خواص منحصر به فرد و مفید استفاده شده است. با کنترل تراز کریستال مایع موضعی در یک LCE، می‌توان فیلم‌هایی با ناهمسانگردی مکانیکی متغیر مکانی ساخت. هنگامی که تحت کشش قرار می‌گیرند، نواحی مختلف این فیلم‌های همگن شیمیایی به دلیل جهت‌گیری نسبی جهت‌دهنده به تنش اعمال شده، تا حدهای مختلفی کشیده می‌شوند. این امر باعث می‌شود تغییر شکل به نواحی از پیش تعیین‌شده محدود شود. این تغییر شکل قابل پیش‌بینی مفید است زیرا امکان طراحی دستگاه‌های الکترونیکی نرم را فراهم می‌کند که در سطح جهانی سازگار اما در سطح محلی سفت هستند و تضمین می‌کنند که اجزای مهم هنگام تغییر شکل فیلم نمی‌شکنند.

 فعال‌سازی 
با گذار از فاز کریستال مایع به فاز ایزوتروپیک (بی‌نظمی جهت‌دار) یا برعکس، یک نمونه LCE به طور خودبه‌خود به شکل متفاوتی تغییر شکل می‌دهد. به عنوان مثال، اگر یک LCE نماتیک به حالت ایزوتروپیک خود منتقل شود، دچار انقباض موازی با جهت‌دهنده و انبساط در صفحه عمود بر آن می‌شود. هر محرکی که گذار فاز منظم ⇔ بی‌نظم را هدایت کند، می‌تواند چنین تحریک (یا «فعال‌سازی») را القا کند. بنابراین، یک میدان جهت‌دهنده الگودار به یک نمونه LCE اجازه می‌دهد تا پس از تحریک به شکل کاملاً متفاوتی تغییر شکل دهد و پس از حذف محرک به شکل اولیه خود بازگردد. به دلیل برگشت‌پذیری، کرنش زیاد و پتانسیل ایجاد تغییرات شکل بسیار پیچیده، این اثر تغییر شکل شکل، به عنوان ابزاری بالقوه برای ایجاد ماشین‌های نرم مانند محرک‌ها یا ربات‌ها، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. به عنوان یک مثال ساده، یک ورق LCE نازک به شکل دیسک با الگوی جهت‌دهنده درون صفحه‌ای «دایره‌های متحدالمرکز» (در همه جا آزیموتال) را در نظر بگیرید. با گرم شدن تا حالت ایزوتروپیک، دیسک به شکل مخروطی در می‌آید که می‌توان از آن برای بلند کردن وزنه‌هایی هزاران برابر وزن خود LCE استفاده کرد.

 آزوبنزن‌ها 
علاوه بر تغییر شکل حرارتی یک نمونه، با ترکیب آزوبنزن‌ها در فاز بلور مایع، می‌توان یک تحریک حساس به نور برای نمونه‌ها به دست آورد. دمای گذار فاز یک الاستومر بلور مایع آزو می‌تواند به دلیل ایزومریزاسیون ترانس-سیس آزوبنزن‌ها در طول تابش UV کاهش یابد و بنابراین فاز بلور مایع می‌تواند به صورت ایزوترمال از بین برود. برای الاستومرهای بلور مایع با غلظت بالای آزو، می‌توان تغییر حساس به نور تا 40٪ در طول نمونه مشاهده کرد.
وسط|بندانگشتی|ساختار آزوبنزن

 کاربردها 
LCE برای استفاده به عنوان یک ماده جذب انرژی سبک وزن مورد بررسی قرار گرفته است. صفحات کج LCE به مواد سفت متصل شده بودند که تقریباً شبیه یک شبکه لانه زنبوری بودند. چیدمان در لایه‌های متعدد، به ماده اجازه می‌داد تا در اثر ضربه با سرعت‌های مختلف خم شود و انرژی را به طور موثر در سراسر سازه پراکنده کند. افزایش تعداد لایه‌ها، ظرفیت جذب را افزایش داد.

 جستارهای وابسته 

 الاستومر
 کریستال مایع
 پلیمر
 ناهمسانگردی
 تنش 

 منابع 

 Ohm, Christian; Brehmer, Martin; Zentel, Rudolf (28 May 2010). "Liquid Crystalline Elastomers as Actuators and Sensors Authors". Advanced Materials. 22 (31): 3366–3387doi:10.1002/adma.200904059
 P. G. de Gennes: C. R. Hebd. Seances Acad. Sci., Ser. B (1975). S. 101.
 Bergmann, Gerd H. F.; Finkelmann, Heino; Percec, Virgil; Zhao, Mingyang (May 1997). "Liquid-crystalline main-chain elastomers". Macromolecular Rapid Communications. 18 (5): 353–360. 10.1002/marc.1997.030180501
 Ware, Taylor H.; Perry, Zachary P.; Middleton, Claire M.; Iacono, Scott T.; White, Timothy J. (2015-08-17). "Programmable Liquid Crystal Elastomers Prepared by Thiol–Ene Photopolymerization". ACS Macro Letters. 4 (9): 942–946.10.1021/acsmacrolett.5b00511
 Ohm, Christian; Fleischmann, Eva-Kristina; Kraus, Isabelle; Serra, Christophe; Zentel, Rudolf (2010-09-08). "Control of the Properties of Micrometer-Sized Actuators from Liquid Crystalline Elastomers Prepared in a Microfluidic Setup". Advanced Functional Materials. 20 (24): 4314–4322.10.1002/adfm.201001178
 Hessberger, T.; Braun, L. B.; Henrich, F.; Müller, C.; Gießelmann, F.; Serra, C.; Zentel, R. (2016). "Co-flow microfluidic synthesis of liquid crystalline actuating Janus particles". Journal of Materials Chemistry C. 4 (37): 8778–8786.