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記者從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校物理系彭晨暉教授團隊與香港科大張銳教授團隊合作，以各向異性的液晶材料為研究對象，利用光學(xué)構(gòu)型的方法制備了可編程控制的三維拓撲結(jié)構(gòu)。此項研究成果日前發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》。

近十年來，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。而如何解析諸如拓撲缺陷、孤子和渦旋等拓撲結(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)，對于其拓撲結(jié)構(gòu)的研究一直挑戰(zhàn)與機遇并存。

液晶是一類分子取向長程有序的材料。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。研究團隊首先控制液晶自組裝結(jié)構(gòu)制備了二維拓撲缺陷，然后令此二維拓撲圖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)的三維拓撲結(jié)構(gòu)。隨后，利用光照驅(qū)動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)，從而實現(xiàn)三維拓撲結(jié)構(gòu)之間的相互轉(zhuǎn)換。由于在整個過程中，形成三維拓撲結(jié)構(gòu)的二維拓撲圖案是可預(yù)設(shè)計的，研究團隊實現(xiàn)了以編程方式控制不同三維拓撲結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換。研究人員將生物分子置于此三維拓撲結(jié)構(gòu)中，生物分子就會在拓撲缺陷陣列處完成自組裝，此過程無需任何外力或外加場。此三維拓撲缺陷陣列完全由光學(xué)構(gòu)型決定，且可以用光場對其進行復(fù)寫?？蓮?fù)寫的三維拓撲缺陷會被光場引導(dǎo)產(chǎn)生不同的取向，位置以及幾何圖案。此可編程的三維拓撲結(jié)構(gòu)又可誘導(dǎo)其上的生物分子自組裝隨其變化，從而實現(xiàn)光控可編程生物分子自組裝功能。

該成果首次制備了處在非平衡狀態(tài)下的軟物質(zhì)三維拓撲結(jié)構(gòu)，并利用光照實現(xiàn)了三維拓撲結(jié)構(gòu)之間以可編程的方式進行相互轉(zhuǎn)換。這項基礎(chǔ)研究將有助于人們理解活性軟物質(zhì)中的三維拓撲結(jié)構(gòu)。此工作中使用的通過控制分子自組裝來對拓撲結(jié)構(gòu)進行的編程，為將來實現(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。審稿人給予本工作高度評價：“這項漂亮的工作是動態(tài)控制活性液晶中的相錯結(jié)構(gòu)領(lǐng)域一項意義重大的進展”。

關(guān)鍵詞： 拓撲結(jié)構(gòu) 生物分子 非平衡態(tài) 各向異性 非平衡狀態(tài)