| 導(dǎo)讀 |

近年來，軟物質(zhì)光子學(xué)的研究正逐漸成為功能材料、柔性光電子、軟凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的交叉研究前沿?！败浳镔|(zhì)”這一概念最早由Pierre-Gilles de Gennes在1991年的諾貝爾獲獎感言中提出，描述的是介于液體和理想固體之間的材料，如膠體、泡沫、液晶、凝膠、聚合物、活性物質(zhì)等，其功能組裝具有自發(fā)性，同時能夠靈敏感知多種外部刺激。這些特性為軟物質(zhì)體系在生命系統(tǒng)、分子器件、調(diào)光材料、生物醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖1.（封面圖 | 藝術(shù)效果圖） 液晶超結(jié)構(gòu)的軟物質(zhì)光子學(xué)應(yīng)用展示。圖中顯示了拓?fù)涑Y(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)光場、及粒子操縱應(yīng)用的藝術(shù)效果。

液晶是一種典型的軟物質(zhì)材料，兼具液體的流動性和晶體的各向異性。液晶中存在著豐富的相態(tài)，包括向列相、近晶相、膽甾相、藍(lán)相等，并可通過分子自組裝構(gòu)筑各式各樣的液晶態(tài)微結(jié)構(gòu)（圖2）。其獨(dú)特的物理性質(zhì)和可控的指向/位置有序性使得液晶廣泛應(yīng)用于當(dāng)今主流信息顯示領(lǐng)域。如果人們能夠掌握如何設(shè)計(jì)、制造和操縱液晶體系中的微結(jié)構(gòu)，不僅能推動軟物質(zhì)這一新興學(xué)科的快速發(fā)展，同時也將為未來光學(xué)器件的開發(fā)帶來新的機(jī)遇。另外，生物質(zhì)液晶（如纖維素、DNA、絲蛋白等）也將為發(fā)展綠色環(huán)保、生物兼容的軟物質(zhì)光學(xué)平臺提供新的途徑。

圖2. 不同液晶材料的分子排列示意圖、典型織構(gòu)及相關(guān)應(yīng)用

近日，液晶光學(xué)領(lǐng)域知名專家、中國物理學(xué)會液晶分會主任陸延青教授團(tuán)隊(duì)，以“Self-assembled liquid crystal architectures for soft matter photonics"為題在Light: Science & Applications發(fā)表綜述論文。

南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院馬玲玲副研究員、李超逸、潘錦濤為論文共同第一作者，南京大學(xué)陸延青教授、王瑜副教授和南京郵電大學(xué)李炳祥教授為論文共同通訊作者，南京大學(xué)季月娥、蔣暢、鄭仁、王澤宇對本文亦有重要貢獻(xiàn)。該研究由國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（青年科學(xué)家項(xiàng)目）、國家自然科學(xué)基金、江蘇省前沿引領(lǐng)技術(shù)基礎(chǔ)研究專項(xiàng)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、江蘇省雙創(chuàng)計(jì)劃等資助完成。

本篇文章回顧了軟物質(zhì)液晶光子學(xué)的最新進(jìn)展，揭示了對不同液晶態(tài)超結(jié)構(gòu)操控的機(jī)制，總結(jié)了液晶/生物質(zhì)液晶超結(jié)構(gòu)在光學(xué)領(lǐng)域的新興應(yīng)用，并展望了未來趨勢與挑戰(zhàn)。

軟物質(zhì)液晶超結(jié)構(gòu)操控

物質(zhì)結(jié)構(gòu)是連通微觀與宏觀世界的關(guān)鍵紐帶和橋梁。不同液晶相具有其特色的結(jié)構(gòu)排布和紋理織構(gòu)，展現(xiàn)出獨(dú)特的物理性質(zhì)，尤其是光學(xué)性質(zhì)，賦予液晶器件多樣化的功能和應(yīng)用。

微納尺度下，有序液晶微結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)構(gòu)筑和動態(tài)調(diào)控對材料性能的提升發(fā)揮著重要的作用（圖3）。前者的中心思想是通過將“自下而上”的液晶自組裝過程與“自上而下”的微加工技術(shù)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)液晶微結(jié)構(gòu)的按需制備。如利用二維邊界錨定、三維幾何限制等手段，人們在近晶相液晶中制備出了一系列具有光學(xué)功能的拓?fù)淙毕莩瑯?gòu)陣列，在膽甾相液晶中實(shí)現(xiàn)了幾乎任意圖案化的光柵超結(jié)構(gòu)。后者則主要利用液晶材料對熱、力、光、電、磁等外場的高靈敏響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對液晶超結(jié)構(gòu)（如孤子）的特定產(chǎn)生、手性反轉(zhuǎn)、形態(tài)演變、運(yùn)動行為、物理性質(zhì)等方面的動態(tài)調(diào)控，展現(xiàn)了功能液晶超結(jié)構(gòu)在光學(xué)、光電子與光子學(xué)領(lǐng)域不可估量的應(yīng)用潛能。另外，基于纖維素的生物質(zhì)液晶因具有結(jié)構(gòu)可裁剪性、刺激響應(yīng)性、形態(tài)多樣性、易功能化等特性而推動了其在光學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

圖3. 液晶超結(jié)構(gòu)操控

值得一提的是，光控取向技術(shù)因其高分辨、圖案化、可編程、高效率等特點(diǎn)正逐步成為液晶取向的關(guān)鍵技術(shù)。團(tuán)隊(duì)基于數(shù)控微鏡陣列（digital micro-mirror device, DMD）的動態(tài)無掩膜光控取向技術(shù)（圖4），實(shí)現(xiàn)了對各相態(tài)多層級液晶超結(jié)構(gòu)的精確靈活操控。

圖4. 動態(tài)無掩膜微縮投影曝光系統(tǒng)

液晶超結(jié)構(gòu)光學(xué)/光子學(xué)應(yīng)用

? 智能顯示

現(xiàn)代顯示呈現(xiàn)智能化、集成化、柔性化的發(fā)展趨勢。文中回顧了基于熱致/溶致液晶的結(jié)構(gòu)色微顯示器件，包括光響應(yīng)液晶全彩反射顯示、液晶微滴雙色標(biāo)簽、氣動液晶彈性體多彩顯示、基于纖維素納米晶體寫入/擦除的“光子紙”、生物質(zhì)液晶“光子皮膚”。

? 多維成像

透鏡是許多與我們的生活息息相關(guān)的光學(xué)儀器不可或缺的組成部分。相比于傳統(tǒng)透鏡，液晶透鏡具有可調(diào)諧、偏振敏感等優(yōu)勢。文中列舉了多種幾何相位/動態(tài)相位透鏡、可見光/太赫茲液晶透鏡以及仿生四維可視化透鏡陣列（圖5）等多維成像元件。

圖5. 基于液晶微透鏡陣列的四維可視化成像

? 光場調(diào)控

液晶材料因其優(yōu)異的電光性質(zhì)可用于開發(fā)各種可調(diào)諧光場調(diào)控元件。圖6列舉了液晶中反射/透射式結(jié)構(gòu)光的產(chǎn)生、軌道角動量的檢測、微納拓?fù)浼ど涞膶?shí)現(xiàn)，展示了其在時空結(jié)構(gòu)光場領(lǐng)域的功能與應(yīng)用。

圖6. 液晶超結(jié)構(gòu)及其光子器件

? 軟執(zhí)行器

軟執(zhí)行器因其在多環(huán)境下的靈活致動形變，一直是微機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文中基于小分子和高分子液晶材料，展示了豐富的執(zhí)行操縱功能，介紹了發(fā)絲定向“攀爬器”、形變與變色協(xié)同的仿生“蜥蜴”、濕度驅(qū)動“折紙花”、仿生自清潔表面、和粒子輸運(yùn)操縱等液晶軟執(zhí)行器。

? 智能窗戶

雙碳時代下，智能窗戶的開發(fā)是實(shí)現(xiàn)光/熱高效利用的重要途徑。液晶因其優(yōu)良的多重刺激響應(yīng)性正逐步成為智能窗的重要潛在材料。通過將液晶與半導(dǎo)體材料、新型低維材料、摩擦納米發(fā)電機(jī)等結(jié)合，可進(jìn)一步提升節(jié)能性能，并實(shí)現(xiàn)自供電智能窗戶。賦能新光學(xué)材料和節(jié)能器件應(yīng)用。

總結(jié)與展望

可控液晶超結(jié)構(gòu)在軟物質(zhì)光子學(xué)領(lǐng)域的潛力巨大。相關(guān)元件具有平面化、可編程、可調(diào)諧、柔性化、低成本、高效率、多功能等特點(diǎn)，但仍需從設(shè)計(jì)、材料、結(jié)構(gòu)、器件等層面揭示背后的一系列核心問題，包括復(fù)雜超結(jié)構(gòu)自組裝動力學(xué)機(jī)理、最優(yōu)化“結(jié)構(gòu)-物性-功能”關(guān)系、材料/器件集成方法、大面積制備技術(shù)、新奇物理效應(yīng)等。能夠精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、制備與調(diào)控液晶超結(jié)構(gòu)的操控技術(shù)將持續(xù)在下一代液晶光子器件與應(yīng)用中扮演重要角色。

綜上，軟物質(zhì)液晶超結(jié)構(gòu)為現(xiàn)階段光學(xué)/光子學(xué)領(lǐng)域的諸多問題提供了獨(dú)特的解決方案，使得軟物質(zhì)光子學(xué)逐步走向更廣闊的舞臺。這一工作將激勵研究人員進(jìn)一步挖掘液晶超結(jié)構(gòu)在軟物質(zhì)光子學(xué)及其眾多應(yīng)用方面的潛力。科學(xué)家們相信液晶可以在軟物質(zhì)物理和柔性光電子產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮重要作用。

| 論文信息 |

Ma, LL., Li, CY., Pan, JT. et al. Self-assembled liquid crystal architectures for soft matter photonics.Light Sci Appl 11, 270 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00930-5

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