软物质液晶系统中胶体缠结手性调控的突破与创新

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【字体：大中小】 时间：2025年02月25日 来源：SCIENCE ADVANCES 11.7

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　　为解决液晶（LC）中胶体缠结手性难以调控等问题，中国科学技术大学研究人员开展相关研究，发现多种手性调控现象，为设计智能胶体材料提供可能。

　　在软物质的奇妙世界里，液晶（Liquid Crystal，LC）就像一个充满神秘拓扑现象的宝藏库。这里面，有奇异的向错线（disclination lines），还有像斯格明子（skyrmions）和霍普夫子（hopfions）这类非奇异缺陷，它们的存在让液晶的微观结构变得极为复杂有趣。向错线和胶体在液晶中的拓扑性质，会诱导出一种神奇的现象 —— 手性胶体缠结（chiral colloidal entanglements）。想象一下，微观的胶体粒子在液晶中相互缠绕，就像一群微观舞者在特定的舞台上跳出独特的舞蹈，而它们的缠绕方向 —— 手性，蕴含着巨大的科学奥秘。

然而，一直以来，科学家们都被几个难题困扰着。比如，这些手性缠结的方向是如何被精确决定的？在具有莫比乌斯带（M?bius strip）拓扑结构的向错中，手性又该如何转换？这些问题就像一道道紧锁的大门，阻碍着人们对液晶微观世界的深入理解，也限制了基于液晶的智能材料的开发。

为了打开这些大门，探索液晶微观世界的奥秘，中国科学技术大学的研究人员勇敢地踏上了探索之旅。他们针对这些问题展开了深入研究，通过一系列巧妙设计的实验和精确的数值模拟，取得了令人瞩目的成果。这项研究成果发表在《Science Advances》期刊上，为软物质领域的发展注入了新的活力。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。在样品制备方面，通过精心设计和处理玻璃基板，利用光刻技术在基板上构建出特定的拓扑图案，为后续液晶和胶体的相互作用创造条件。在观测手段上，借助偏光光学显微镜（Polarizing Optical Microscopy）和激光扫描荧光共聚焦显微镜（Laser Scanning Fluorescence Confocal Microscopy），他们能够清晰地观察到液晶中向错线和胶体的微观结构及动态变化。此外，运用数值模拟方法，基于 Landau - de Gennes 理论和 Frank - Oseen 弹性理论，计算液晶系统的自由能，模拟不同条件下向错线和胶体的行为，从理论层面深入分析实验现象。

下面我们来详细看看研究人员都取得了哪些重要的研究结果。

通过编程向错环拓扑结构实现相反手性的胶体缠结：研究人员利用无掩模光刻技术在两个不同拓扑图案的基板上制作特殊图案，当填充液晶后，成功形成了具有莫比乌斯带拓扑结构的向错环。通过控制胶体粒子与向错线的相互作用，发现胶体粒子会被向错线缠绕形成缠结，且缠结的手性取决于胶体粒子靠近向错线的方向。例如，在具有不同拓扑特征（α = 0 的 M?bius - 0 和 α = π 的 M?bius - π）的向错环中，从不同方向引入胶体粒子，会分别形成右扭转和左扭转的缠结，通过显微镜观测和数值模拟都证实了这一现象。此外，改变拓扑图案还能进一步丰富向错环的拓扑结构，形成如 splay - twist（α = π/2）和 bend - twist（α = -π/2）等不同类型的向错环，在这些环中形成的胶体缠结同样具有两种不同的手性。
在具有四种不同拓扑结构的向错环中胶体缠结的不可逆手性转换：研究人员设计了一种特殊的向错环，其沿着环的方向具有四种不同的拓扑结构，分别为 splay - twist、M?bius - π、bend - twist 和 M?bius - 0，且角度 α 会沿着环连续变化 4π。通过数值模拟发现，当胶体缠结在这种向错环上移动时，其手性转换呈现非互易性。比如，初始为左扭转的缠结，当拓扑结构从 splay - twist 通过 M?bius - π 转变为 bend - twist 时，缠结会顺时针旋转并重新连接向错线，从而使手性转换为右扭转；而当拓扑结构逆向转变时，缠结虽逆时针旋转，但向错线不重新连接，手性保持不变。实验中，利用激光镊子移动胶体粒子，也验证了这种非互易的手性转换过程，且发现手性转换与初始手性和胶体粒子在环上的移动方向密切相关。
向错环的光驱动成核与湮灭：研究人员发现可以通过光照射旋转顶部均匀取向来控制向错环的动力学过程，包括成核、扩张、收缩和湮灭。在成核过程中，通过修改底部图案并照射线性偏振光，向错线段会自发形成并逐渐弯曲、扩张，最终形成稳定的向错环。在这个过程中，研究人员通过定义一个无量纲量来表征线张力和液晶弹力的相对大小，发现随着光照射时间增加，先增大后减小，当弹力大于线张力时，向错环快速扩张形成。同样，通过反向旋转线性偏振光，可实现向错环的湮灭过程。
非平衡向错环中胶体缠结的非互易手性转换：当向错环处于非平衡状态（如收缩和扩张过程）时，胶体缠结的动力学和手性转换表现出独特的性质。在向错环收缩过程中，随着拓扑结构的变化，胶体缠结的手性会发生转换。例如，在不同时间段，处于不同区域的胶体缠结手性会因拓扑结构从 splay - twist 到 bend - twist 等的转变而改变。通过模拟胶体缠结在不同半径向错环中的能量，计算出径向力和方位角力，发现当环半径较大时，大于，胶体缠结会沿径向移动并改变手性；当环半径减小，逐渐大于，胶体缠结会沿环移动。在向错环扩张过程中，胶体缠结会根据局部拓扑结构重新排列，且手性保持不变。这种收缩和扩张过程中手性转换的差异，体现了非互易性，是由向错环的拓扑结构和曲率相互作用导致的。
任意形状向错线模板化胶体组装：研究人员通过设计具有不同拓扑结构的向错线，并控制胶体与向错线的相互作用，成功利用具有过渡莫比乌斯带拓扑结构的任意形状向错线，模板化形成了具有相反手性的胶体缠结。例如，创建了形状为 “USTC” 的向错线，在这些向错线中，由于莫比乌斯拓扑结构，相反手性的胶体缠结可以同时存在，且胶体粒子倾向于聚集在向错线的 splay 和 bend 区域。

在研究结论与讨论部分，研究人员系统地研究了具有不同拓扑结构（M?bius - 0、M?bius - π、splay - twist 和 bend - twist）的向错环中胶体缠结的手性。发现通过控制向错环的拓扑结构变化和胶体粒子的运动，可以确定性地调控胶体缠结的手性。光驱动的向错环成核、湮灭以及收缩和扩张过程，为胶体缠结手性转换提供了新的调控手段。这种非互易的手性转换现象，揭示了拓扑结构和曲率在液晶胶体系统中的重要作用机制。

这项研究的重要意义在于，它为控制向列相液晶胶体缠结的手性转换提供了有力工具，为开发响应性胶体复合材料和智能材料开辟了新途径。未来，研究人员可以进一步探索更复杂拓扑结构（如由莫尔效应产生的结构）中液晶胶体缠结的手性转换，以及手性向列相胶体中结和链的动力学，有望为软物质领域带来更多突破，推动相关技术在材料科学、生物医学等领域的广泛应用。

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