| 導讀 |

近年來，軟物質光子學的研究正逐漸成為功能材料、柔性光電子、軟凝聚態(tài)物理等領域的交叉研究前沿。“軟物質”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。這些特性為軟物質體系在生命系統(tǒng)、分子器件、調光材料、生物醫(yī)學等方面的應用奠定了堅實的基礎。

圖1.（封面圖 | 藝術效果圖） 液晶超結構的軟物質光子學應用展示。圖中顯示了拓撲超結構、結構光場、及粒子操縱應用的藝術效果。

液晶是一種典型的軟物質材料，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、藍相等，并可通過分子自組裝構筑各式各樣的液晶態(tài)微結構（圖2）。其獨特的物理性質和可控的指向/位置有序性使得液晶廣泛應用于當今主流信息顯示領域。如果人們能夠掌握如何設計、制造和操縱液晶體系中的微結構，不僅能推動軟物質這一新興學科的快速發(fā)展，同時也將為未來光學器件的開發(fā)帶來新的機遇。另外，生物質液晶（如纖維素、DNA、絲蛋白等）也將為發(fā)展綠色環(huán)保、生物兼容的軟物質光學平臺提供新的途徑。

圖2. 不同液晶材料的分子排列示意圖、典型織構及相關應用

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

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

本篇文章回顧了軟物質液晶光子學的最新進展，揭示了對不同液晶態(tài)超結構操控的機制，總結了液晶/生物質液晶超結構在光學領域的新興應用，并展望了未來趨勢與挑戰(zhàn)。

軟物質液晶超結構操控

物質結構是連通微觀與宏觀世界的關鍵紐帶和橋梁。不同液晶相具有其特色的結構排布和紋理織構，展現(xiàn)出獨特的物理性質，尤其是光學性質，賦予液晶器件多樣化的功能和應用。

微納尺度下，有序液晶微結構的精準構筑和動態(tài)調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”的微加工技術相結合來實現(xiàn)液晶微結構的按需制備。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功能的拓撲缺陷超構陣列，在膽甾相液晶中實現(xiàn)了幾乎任意圖案化的光柵超結構。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，實現(xiàn)對液晶超結構（如孤子）的特定產(chǎn)生、手性反轉、形態(tài)演變、運動行為、物理性質等方面的動態(tài)調控，展現(xiàn)了功能液晶超結構在光學、光電子與光子學領域不可估量的應用潛能。另外，基于纖維素的生物質液晶因具有結構可裁剪性、刺激響應性、形態(tài)多樣性、易功能化等特性而推動了其在光學領域的發(fā)展。

圖3. 液晶超結構操控

值得一提的是，光控取向技術因其高分辨、圖案化、可編程、高效率等特點正逐步成為液晶取向的關鍵技術。團隊基于數(shù)控微鏡陣列（digital micro-mirror device, DMD）的動態(tài)無掩膜光控取向技術（圖4），實現(xiàn)了對各相態(tài)多層級液晶超結構的精確靈活操控。

圖4. 動態(tài)無掩膜微縮投影曝光系統(tǒng)

液晶超結構光學/光子學應用

? 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/溶致液晶的結構色微顯示器件，包括光響應液晶全彩反射顯示、液晶微滴雙色標簽、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的光學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

? 光場調控

液晶材料因其優(yōu)異的電光性質可用于開發(fā)各種可調諧光場調控元件。圖6列舉了液晶中反射/透射式結構光的產(chǎn)生、軌道角動量的檢測、微納拓撲激射的實現(xiàn)，展示了其在時空結構光場領域的功能與應用。

圖6. 液晶超結構及其光子器件

? 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，一直是微機器人領域的研究熱點。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”、濕度驅動“折紙花”、仿生自清潔表面、和粒子輸運操縱等液晶軟執(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)良的多重刺激響應性正逐步成為智能窗的重要潛在材料。通過將液晶與半導體材料、新型低維材料、摩擦納米發(fā)電機等結合，可進一步提升節(jié)能性能，并實現(xiàn)自供電智能窗戶。賦能新光學材料和節(jié)能器件應用。

總結與展望

可控液晶超結構在軟物質光子學領域的潛力巨大。相關元件具有平面化、可編程、可調諧、柔性化、低成本、高效率、多功能等特點，但仍需從設計、材料、結構、器件等層面揭示背后的一系列核心問題，包括復雜超結構自組裝動力學機理、最優(yōu)化“結構-物性-功能”關系、材料/器件集成方法、大面積制備技術、新奇物理效應等。能夠精準設計、制備與調控液晶超結構的操控技術將持續(xù)在下一代液晶光子器件與應用中扮演重要角色。

綜上，軟物質液晶超結構為現(xiàn)階段光學/光子學領域的諸多問題提供了獨特的解決方案，使得軟物質光子學逐步走向更廣闊的舞臺。這一工作將激勵研究人員進一步挖掘液晶超結構在軟物質光子學及其眾多應用方面的潛力。科學家們相信液晶可以在軟物質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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