向列玻璃膜片程序化变形的若干基本问题研究

Nematic glasses are a new kind of densely cross-linked liquid crystal polymer networks which, upon illumination or heating, deform elastically in the directions parallel or normal to the director. Existing studies were focused on the introduction of certain director gradient across the thickness of a nematic glass sheet as an actuator, so as to enhance its sensitivity to photo- or thermal-induced bending. Yet, according the precise controllability of directors in nematic glasses, effort in the present project will be paid to enriching the two- and three-dimensional deformation modes of a sheet through proper design of in-plane director distributions. This may allows for the realization of programmable deformation of the sheet towards a prescribed complex shape, as in the growth of plants. Because nematic glasses are much more roboust than gels and elastomers being studied currently, their programmed deformation thus exhibits attractive prospect in modern device applications. The main content of this project includes model formulation of nematic glass sheets, analysis of director defects and their mutual interactions, deformation bifurcation and shape selection of the sheet, and design of deformation modes based on director distribution. The fundamental goal is to uncover the quantitative relationship between director distribution and macroscopic deformation, and further provide basic theory, design strategy and analysis tool for programmable deformations of various modes in device applications.

向列玻璃是一种新型的强交联液晶聚合物网络，光照或加热都可导致其发生平行和垂直于指向矢的弹性变形。已有的研究主要致力于在向列玻璃膜片厚度方向引入适当的指向矢分布梯度，以增强其作为驱动器件的光热弯曲敏感性。本项目则根据向列玻璃指向矢分布精确可控的特点，系统探索如何通过设计膜片面内指向矢分布产生丰富多样的二维和三维变形模式，进而实现类似植物生长的由微结构编码主导的按照预先设定模式的变形程序化。由于向列玻璃的刚度比目前广泛研究的凝胶或弹胶材料要高出四个量级，其程序化变形在现代器件方面具有重要的实际意义和诱人的应用前景。项目研究基于理论、模拟和实验，内容主要包括：向列玻璃膜片力学建模，指向矢分布缺陷及相互作用，膜片变形分叉与形貌选择，以及基于指向矢调控的变形模式设计等。基本目标是阐明指向矢分布与膜片宏观变形的定量关系，为实现不同模式的程序化变形及其在相关器件中的应用提供理论基础、设计思路和分析工具。

向列玻璃是一种模量可达GPa量级的强交联液晶聚合物网络，光照或加热都可导致其发生平行和垂直于指向矢的变形。合理裁剪指向矢分布可对向列玻璃在外部刺激下的变形模式进行编码，进而应用于新型功能器件的设计。目前的合成技术能够产生几乎任意复杂的指向矢分布，定量掌握指向矢分布与向列玻璃变形响应的关系便成为关键。本项目基于理论、模拟和实验，系统研究复杂变化指向矢场及其相关效应对膜片非线性变形和屈曲行为的影响，目标是为实现不同模式的膜片变形编码提供理论基础、设计思路和分析工具。主要研究成果包括：. 1. 建立了具有任意三维指向矢分布的向列玻璃膜片变形响应的几何非线性模型，将单畴和多畴指向矢分布、拓扑缺陷、逐点变化的各向异性、光强衰减等因素纳入统一的理论框架.. 2. 发展了一种将复杂非均质和各向异性向列玻璃膜片严格等价为均匀各项同性体进而模拟其非线性变形和后屈曲行为的高效数值方法，计算量与指向矢分布的复杂程度无关.. 3.预言了局部光照可导致向列玻璃膜片远场面外挠度随距离增加按对数规律放大的现象，给出了理论判据，为通过局部刺激调控膜片大范围变形提供了可能的思路.. 4. 通过理论和数值模拟演示了利用多畴指向矢场可使膜片产生多种复杂和可切换变形形貌的可能性，阐明了指向矢场拓扑缺陷符号决定膜片局部面外位移方向的物理机制.. 5. 提出引入变化的三维指向矢场拓展向列玻璃膜片面外变形空间的策略，采用逆向设计给出了可使膜片变形为沿单方向任意变化的无应力目标构型的指向矢分布解析解.. 基于上述成果，已在Int. J. Solids Struct., J. Appl. Mech., Phys. Rev. E和Thin Solid Films等国际学术期刊发表论文5篇，另有4篇已投稿或被约稿。项目实施过程中培养硕士3名，2名博士生即将毕业；参加国际学术会议2次，国内学术会议11人次；在国内其它单位作学术报告8次，接待国外学者来访交流16人次。.