中国科大发现液晶胶体纠缠手性的非互易调控机制

近日，中国科学技术大学物理系彭晨晖教授、蒋景华研究员和香港科技大学张锐教授团队合作，通过精准调控向列液晶中缺陷环的时空演化，实现了胶体纠缠手性的非互易转换。合作团队在具有莫比乌斯带拓扑结构的向错环中实现了胶体纠缠手性的可控设计，揭示了动态过程中手性转换的非互易性机制。通过实验和模拟证明，胶体沿不同方向移动时手性转换不可逆，这一现象由拓扑结构与几何曲率的相互作用驱动，这项工作为智能胶体材料的设计开辟了新路径。此工作以“Nonreciprocal chirality conversion in spatiotemporal evolutions of nematic colloidal entanglement”为题发表于《科学进展》。

合作团队创新性地利用莫比乌斯带拓扑结构，在液晶中构建了具有动态特性的缺陷环网络。通过激光光镊技术操控胶体粒子沿缺陷环运动时，发现胶体缠绕结构的手性（左旋/右旋）转换呈现显著的非对称特性：顺时针移动时手性保持不变，而逆时针移动时发生不可逆转换，如图1所示。这种效应源于缺陷环的几何曲率与拓扑特性的协同作用，从而揭示了拓扑结构动态演化对手性传递的调控机制。

图1.胶体颗粒在莫比乌斯拓扑结构缺陷环上的可控胶体纠缠

随后，合作团队通过光控技术实现了缺陷环的可逆收缩-膨胀循环。实验表明，在环收缩过程中胶体手性发生两次转换，而膨胀过程中则保持稳定。这种非互易特性使同一位置在不同演化阶段呈现相反手性，为动态可编程材料提供了全新设计思路。团队进一步展示了利用任意形状缺陷线模板化组装胶体结构的可能性，成功构建了“USTC”字样等复杂拓扑结构。

该成果突破了传统手性材料设计的局限，首次将拓扑缺陷的动态演化与胶体纠缠手性调控相结合。这项工作就像为材料科学家提供了一组拓扑“乐高”，通过设计缺陷网络的时空演化路径，可以按需定制胶体材料的动态响应特性。这种智能材料在微纳机器人、自适应光子器件、生物传感等领域具有重要应用潜力。例如，可设计微型机械手通过路径选择实现抓取-释放功能，或构建光驱动逻辑门用于分子计算。

此项研究结合了软物质物理、拓扑数学和微纳操控技术。合作团队自主研发了基于投影显示的无掩模光刻系统，实现了液晶取向场的精准图案化。合作团队开发的理论模型成功预测了实验现象，揭示了曲率-拓扑耦合效应的物理本质。

此工作实验部分由中国科大彭晨晖教授、蒋景华研究员团队完成，理论模拟部分由香港科技大学张锐教授团队完成。彭晨晖教授、蒋景华研究员和张锐教授为本文共同通讯作者，中国科大研究生张婧、香港科大博士生唐文滔和中国科大博士生扎吾热阿斯了汉为本文共同第一作者。中国科大本科生陈子君、研究生石青田和博士生Fernando Vergara为共同作者。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院百人计划、安徽省自然科学基金、中国科大“双一流”平台建设经费、中国科大青年创新重点基金和香港研究资助局的资助。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads7281

（物理学院、科研部）

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