近日，國際知名期刊Science Advances, 11,  eads7281 (2025)在線發(fā)表了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)彭晨暉教授、蔣景華研究員和香港科大張銳教授團(tuán)隊合作研究成果“Nonreciprocal chirality conversion in spatiotemporal evolutions of nematic colloidal entanglement”。通過精準(zhǔn)調(diào)控向列液晶中缺陷環(huán)的時空演化，實現(xiàn)了膠體糾纏手性的非互易轉(zhuǎn)換。合作團(tuán)隊在具有莫比烏斯帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的向錯環(huán)中實現(xiàn)了膠體糾纏手性的可控設(shè)計，揭示了動態(tài)過程中手性轉(zhuǎn)換的非互易性機(jī)制。通過實驗和模擬證明，膠體沿不同方向移動時手性轉(zhuǎn)換不可逆，這一現(xiàn)象由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與幾何曲率的相互作用驅(qū)動，這項工作為智能膠體材料的設(shè)計開辟了新路徑。

該工作利用晶萃光學(xué)JCOPTIX提供的激光光鑷系統(tǒng)，在24℃下，對光刻圖案化處理后的液晶盒內(nèi)膠體進(jìn)行操控，揭示了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)演化對手性傳遞的調(diào)控機(jī)制。

合作團(tuán)隊創(chuàng)新性地利用莫比烏斯帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在液晶中構(gòu)建了具有動態(tài)特性的缺陷環(huán)網(wǎng)絡(luò)。通過激光光鑷技術(shù)操控膠體粒子沿缺陷環(huán)運動時，發(fā)現(xiàn)膠體纏繞結(jié)構(gòu)的手性（左旋/右旋）轉(zhuǎn)換呈現(xiàn)顯著的非對稱特性：順時針移動時手性保持不變，而逆時針移動時發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)換，如圖1所示。這種效應(yīng)源于缺陷環(huán)的幾何曲率與拓?fù)涮匦缘膮f(xié)同作用，從而揭示了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)演化對手性傳遞的調(diào)控機(jī)制。

圖1 膠體顆粒在莫比烏斯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)缺陷環(huán)上的可控膠體糾纏

而后，合作團(tuán)隊通過光控技術(shù)實現(xiàn)了缺陷環(huán)的可逆收縮-膨脹循環(huán)。實驗表明，在環(huán)收縮過程中膠體手性發(fā)生兩次轉(zhuǎn)換，而膨脹過程中則保持穩(wěn)定。這種非互易特性使同一位置在不同演化階段呈現(xiàn)相反手性，為動態(tài)可編程材料提供了全新設(shè)計思路。團(tuán)隊進(jìn)一步展示了利用任意形狀缺陷線模板化組裝膠體結(jié)構(gòu)的可能性，成功構(gòu)建了"USTC"字樣等復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

該成果突破了傳統(tǒng)手性材料設(shè)計的局限，首次將拓?fù)淙毕莸膭討B(tài)演化與膠體糾纏手性調(diào)控相結(jié)合。這項工作就像為材料科學(xué)家提供了一組拓?fù)錁犯?，通過設(shè)計缺陷網(wǎng)絡(luò)的時空演化路徑，可以按需定制膠體材料的動態(tài)響應(yīng)特性。這種智能材料在微納機(jī)器人、自適應(yīng)光子器件、生物傳感等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力。例如，可設(shè)計微型機(jī)械手通過路徑選擇實現(xiàn)抓取-釋放功能，或構(gòu)建光驅(qū)動邏輯門用于分子計算。

此項研究結(jié)合了軟物質(zhì)物理、拓?fù)鋽?shù)學(xué)和微納操控技術(shù)。合作團(tuán)隊利用自主搭建的基于投影顯示的無掩模光刻系統(tǒng)，實現(xiàn)了液晶取向場的精準(zhǔn)圖案化。合作團(tuán)隊開發(fā)的理論模型成功預(yù)測了實驗現(xiàn)象，揭示了曲率-拓?fù)漶詈闲?yīng)的物理本質(zhì)。

此工作實驗部分由中科大彭晨暉教授、蔣景華研究員團(tuán)隊完成，理論模擬部分由香港科技大學(xué)張銳教授團(tuán)隊完成。彭晨暉教授、蔣景華研究員和張銳教授為本文共同通訊作者，中科大研究生張婧、香港科大博士生唐文滔和中科大博士生扎吾熱阿斯了漢為本文共同第一作者。中科大本科生陳子君、研究生石青田和博士生Fernando Vergara為共同作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院百人計劃、安徽省自然科學(xué)基金、中科大雙一流平臺建設(shè)經(jīng)費、中科大青年創(chuàng)新重點基金和香港研究資助局的資助。

作者特別感謝南京晶萃光學(xué)科技有限公司提供的光學(xué)設(shè)備支持。