胡偉、陸延青團隊實現軟物質拓撲缺陷的可編程控制

近日，現代工學院胡偉教授、陸延青教授團隊在實現近晶相液晶拓撲缺陷的可編程控制方面取得進展，相關成果以&34;為題，於6月8日在線發表於《先進光學材料》上(Adv. Optical Mater. 2020, 2000593 )。

拓撲缺陷深刻影響著材料的結構與特性，其在催化、傳感、能量存儲、光電器件等眾多領域都扮演了重要的角色。軟物質中的缺陷種類豐富、結構奇特、特徵尺寸跨度大、製造成本低廉，為微納製造與材料功能設計提供了優異的平臺。不同液晶相態會呈現特定的指向矢場和拓撲缺陷分布，液晶物理特性的各向異性與刺激響應特性賦予了其可調控的形態學與物理學特徵。在近晶相液晶自組裝形成的油紋織構中，分子層在空間上的不連續會導致具有特定拓撲結構的缺陷牆的生成，其具有良好的穩定性和連續性，在表面加工、納米粒子操縱以及光子器件等方面都具有應用潛力。迄今為止，對該類缺陷進行靈活操控還是一項難題，若能實現對其空間排布進行任意控制和動態調控，將大大提升拓撲缺陷的控制能力，進而推動相關微操控技術和新穎光子器件的發展。

圖1缺陷牆操控 (a)油紋缺陷結構示意圖；(b)缺陷牆的彎折控制；(c)缺陷牆的彎曲控制；(d)缺陷牆的展曲控制。

針對這一課題，研究團隊利用光配項技術預設表面取向誘導近晶相分子層的空間分布，進而實現對缺陷牆的可編程控制器。文章中，通過預設方向交替變化的取向單元，將缺陷牆彎折成鋸齒狀，並研究了邊界處結構隨彎折角的演變規律；引入連續變化的徑向取向，可誘導缺陷牆彎曲成特定曲率的平行弧線或螺線；而利用連續變化的角向取向，則使得缺陷牆發生擴展與叉形分裂。基於對上述彎折、彎曲和展曲等形變要素的靈活操控，研究團隊利用取向誘導實現了缺陷牆結構的可編程控制，實現了一系列複雜圖案的製備。進一步的，引入空間特定的電場刺激，可有效的調諧缺陷牆的間距、並能夠實現缺陷陣列的面內旋轉和動態開關等多維度動態操控。由各向異性的近晶相液晶組裝成的油紋結構具有本徵的指向矢分布周期變化的特徵，因此表現出強烈的偏振依賴的衍射特性。基於上述拓撲缺陷的可編程控制，可以開發全新的液晶光子器件。

圖2 缺陷圖案化與動態調控 (a)操控缺陷牆陣列成SLC形狀；(b)電場調控缺陷指向。

該研究提出了一種利用圖案化錨定和外電場協同控制液晶缺陷空間分布的新方法。依賴於取向圖案的精確設定，可誘導實現缺陷牆陣列的彎折、彎曲、展曲。除了電場，光、熱、磁、力、聲等其它外場同樣可用於拓撲缺陷陣列的動態操控，這為軟物質缺陷態的可編程控制提供了一個有力的途徑。該方案設計靈活、製備簡單、適用於大面積低成本的微納加工，通過缺陷結構的特殊設定有望產生新穎的性質並激發創新型的應用。

南京大學現代工程與應用科學學院19級博士生吳賽博為論文第一作者，胡偉教授、陸延青教授為共同通訊作者，馬玲玲副研、陳鵬副研、曹慧敏同學、葛士軍副研、袁瑞同學對本文亦有重要貢獻。該研究由國家重點研發計劃、國家自然科學基金、江蘇省傑出青年基金、中央高校基本科研業務費等項目資助完成。