近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系彭晨暉教授團(tuán)隊等在光控活性物質(zhì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換方面取得重要進(jìn)展。

前述團(tuán)隊和香港科技大學(xué)張銳教授團(tuán)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這項基礎(chǔ)研究有助于理解活性軟物質(zhì)中的三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，成果發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)。

圖片來自《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)

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。軟物質(zhì)(soft matter)是指處于固體和理想流體之間的物質(zhì)，又稱軟凝聚態(tài)物質(zhì)。而如何解析諸如拓?fù)淙毕?、渦旋等拓?fù)浣Y(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。了解拓?fù)淙毕莸慕Y(jié)構(gòu)對于其在定向自組裝、傳感和光子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用非常重要。

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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究一直挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存。而液晶是一類分子取向長程有序的材料。其中，長程有序指整體性的有序現(xiàn)象。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。

因此，研究團(tuán)隊首先控制液晶自組裝結(jié)構(gòu)，制備了二維拓?fù)淙毕?，然后將此二維拓?fù)鋱D案與沿特定方向的液晶分子結(jié)合，利用兩種構(gòu)型之間的不兼容，制備了處于平衡態(tài)的三維拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的相互轉(zhuǎn)換。

圖1：通過控制液晶構(gòu)型形成的三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖片來自中科大物理系

由于在整個過程中，形成三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的二維拓?fù)鋱D案是可預(yù)設(shè)計的，研究團(tuán)隊實現(xiàn)了以編程方式控制不同三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換。研究人員將生物分子置于三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，生物分子就會在拓?fù)淙毕蓐嚵刑幫瓿勺越M裝（如圖1所示），此過程無需任何外力或外加場。其中，三維拓?fù)淙毕蓐嚵型耆晒鈱W(xué)構(gòu)型決定，且可以用光場對其進(jìn)行復(fù)寫?？蓮?fù)寫的三維拓?fù)淙毕輹还鈭鲆龑?dǎo)產(chǎn)生不同的取向、位置以及幾何圖案。可編程的三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則可誘導(dǎo)上面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。

前述團(tuán)隊首次制備了處在非平衡狀態(tài)下的軟物質(zhì)三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并利用光照實現(xiàn)了三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之間以可編程的方式進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。

審稿人評價前述工作“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(jìn)展”。其研究中所使用的通過控制分子自組裝，來對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行編程，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了廣闊空間。