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中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系彭晨暉教授團(tuán)隊(duì)在光控活性物質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換方面取得重要進(jìn)展。近十年來(lái)，活性軟物質(zhì)的研究逐漸成為軟凝聚態(tài)物理的研究前沿。而如何解析諸如拓?fù)淙毕?、孤子和渦旋等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是理解處于非平衡態(tài)的活性軟物質(zhì)的關(guān)鍵所在。由于活性軟物質(zhì)具有內(nèi)在的非平衡態(tài)屬性及復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，對(duì)于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究一直挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存。中國(guó)科大彭晨暉教授團(tuán)隊(duì)和香港科大張銳教授團(tuán)隊(duì)合作，以各向異性的液晶材料為研究對(duì)象，利用光學(xué)構(gòu)型的方法制備了可編程控制的三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此項(xiàng)工作日前以“Active transformations of topological structures in light-driven nematic disclination networks”為題發(fā)表于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》。

液晶是一類分子取向長(zhǎng)程有序的材料。液晶分子可以自組裝成一定的結(jié)構(gòu)，在顯示、感應(yīng)、光子器件等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)首先控制液晶自組裝結(jié)構(gòu)制備了二維拓?fù)淙毕?，然后令此二維拓?fù)鋱D案與沿特定方向的液晶分子結(jié)合，利用此兩種構(gòu)型之間的不兼容，制備了處于平衡態(tài)的三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。隨后，利用光照驅(qū)動(dòng)液晶分子使其處于非平衡態(tài)，并成為具備活性的軟物質(zhì)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的相互轉(zhuǎn)換。由于在整個(gè)過(guò)程中，形成三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的二維拓?fù)鋱D案是可預(yù)設(shè)計(jì)的，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了以編程方式控制不同三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換（如圖1所示）。研究人員將生物分子置于此三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，生物分子就會(huì)在拓?fù)淙毕蓐嚵刑幫瓿勺越M裝（如圖1所示），此過(guò)程無(wú)需任何外力或外加場(chǎng)。此三維拓?fù)淙毕蓐嚵型耆晒鈱W(xué)構(gòu)型決定，且可以用光場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行復(fù)寫。可復(fù)寫的三維拓?fù)淙毕輹?huì)被光場(chǎng)引導(dǎo)產(chǎn)生不同的取向，位置以及幾何圖案。此可編程的三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)又可誘導(dǎo)其上的生物分子自組裝隨其變化，從而實(shí)現(xiàn)光控可編程生物分子自組裝功能。

審稿人給予本工作高度評(píng)價(jià)：“這項(xiàng)漂亮的工作是動(dòng)態(tài)控制活性液晶中的相錯(cuò)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域一項(xiàng)意義重大的進(jìn)展（This is a very nice work demonstrating a significant advance in the dynamical control of disclination lines in nematic liquid crystals. ）”。

圖1.通過(guò)控制液晶構(gòu)型形成的三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

這項(xiàng)工作首次制備了處在非平衡狀態(tài)下的軟物質(zhì)三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并利用光照實(shí)現(xiàn)了三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間以可編程的方式進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。這項(xiàng)基礎(chǔ)研究將有助于我們理解活性軟物質(zhì)中的三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此工作中使用的通過(guò)控制分子自組裝來(lái)對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行的編程，為將來(lái)實(shí)現(xiàn)可編程的生物分子自組裝，以及智能活性材料等研究提供廣闊的空間。

中國(guó)科大彭晨暉教授和香港科大張銳教授為本文共同通訊作者，中國(guó)科大特任研究員蔣景華博士，孟菲斯大學(xué)Kamal Ranabhat和香港科大王馨玉博士為本文共同第一作者。

論文信息：

Active transformations of topological structures in light-driven nematic disclination networks

（物理系、科研部）