近日，现代工学院胡伟教授、陆延青教授团队在实现近晶相液晶拓扑缺陷的可编程控制方面取得进展，相关成果以"Smectic defect engineering enabled by programmable photoalignment"为题，于6月8日在线发表于《先进光学材料》上(Adv. Optical Mater. 2020, 2000593 )。
拓扑缺陷深刻影响着材料的结构与特性，其在催化、传感、能量存储、光电器件等众多领域都扮演了重要的角色。软物质中的缺陷种类丰富、结构奇特、特征尺寸跨度大、制造成本低廉，为微纳制造与材料功能设计提供了优异的平台。不同液晶相态会呈现特定的指向矢场和拓扑缺陷分布，液晶物理特性的各向异性与刺激响应特性赋予了其可调控的形态学与物理学特征。在近晶相液晶自组装形成的油纹织构中，分子层在空间上的不连续会导致具有特定拓扑结构的缺陷墙的生成，其具有良好的稳定性和连续性，在表面加工、纳米粒子操纵以及光子器件等方面都具有应用潜力。迄今为止，对该类缺陷进行灵活操控还是一项难题，若能实现对其空间排布进行任意控制和动态调控，将大大提升拓扑缺陷的控制能力，进而推动相关微操控技术和新颖光子器件的发展。
图1缺陷墙操控(a)油纹缺陷结构示意图；(b)缺陷墙的弯折控制；(c)缺陷墙的弯曲控制；(d)缺陷墙的展曲控制。
针对这一课题，研究团队利用光配项技术预设表面取向诱导近晶相分子层的空间分布，进而实现对缺陷墙的可编程控制器。文章中，通过预设方向交替变化的取向单元，将缺陷墙弯折成锯齿状，并研究了边界处结构随弯折角的演变规律；引入连续变化的径向取向，可诱导缺陷墙弯曲成特定曲率的平行弧线或螺线；而利用连续变化的角向取向，则使得缺陷墙发生扩展与叉形分裂。基于对上述弯折、弯曲和展曲等形变要素的灵活操控，研究团队利用取向诱导实现了缺陷墙结构的可编程控制，实现了一系列复杂图案的制备。进一步的，引入空间特定的电场刺激，可有效的调谐缺陷墙的间距、并能够实现缺陷阵列的面内旋转和动态开关等多维度动态操控。由各向异性的近晶相液晶组装成的油纹结构具有本征的指向矢分布周期变化的特征，因此表现出强烈的偏振依赖的衍射特性。基于上述拓扑缺陷的可编程控制，可以开发全新的液晶光子器件。
图2缺陷图案化与动态调控 (a)操控缺陷墙阵列成SLC形状；(b)电场调控缺陷指向。
该研究提出了一种利用图案化锚定和外电场协同控制液晶缺陷空间分布的新方法。依赖于取向图案的精确设定，可诱导实现缺陷墙阵列的弯折、弯曲、展曲。除了电场，光、热、磁、力、声等其它外场同样可用于拓扑缺陷阵列的动态操控，这为软物质缺陷态的可编程控制提供了一个有力的途径。该方案设计灵活、制备简单、适用于大面积低成本的微纳加工，通过缺陷结构的特殊设定有望产生新颖的性质并激发创新型的应用。
南京大学现代工程与应用科学学院19级博士生吴赛博为论文第一作者，胡伟教授、陆延青教授为共同通讯作者，马玲玲副研、陈鹏副研、曹慧敏同学、葛士军副研、袁瑞同学对本文亦有重要贡献。该研究由国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省杰出青年基金、中央高校基本科研业务费等项目资助完成。