南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院陸延青教授、胡偉副教授團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)合作,將液晶光配向技術(shù)用于誘導(dǎo)軟物質(zhì)有序生長,實(shí)現(xiàn)了藍(lán)相軟晶格指向的有序性、微域化和圖案化。相關(guān)研究成果于11月8日發(fā)表在《先進(jìn)材料》上(Adv. Mater. 2017, 29, 1703165.),并被選作封面論文。
物質(zhì)結(jié)構(gòu)的有序性詮釋了自然界的神奇與和諧,蝴蝶翅膀絢麗的結(jié)構(gòu)色、DNA雙螺旋等呈現(xiàn)給我們一個(gè)五彩斑斕的世界,同時(shí)也激發(fā)了科學(xué)家們的好奇心和探索欲望。晶體是這種微觀秩序的典型代表,其展現(xiàn)出對量子(電子、光子等)傳輸、自旋和布居等行為的操控,被廣泛地應(yīng)用于電子學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域。有序性會直接影響晶體材料對量子的操控,因而實(shí)現(xiàn)晶格的有序排列至關(guān)重要。常規(guī)的晶體生長技術(shù)包括熔體生長法、溶液生長法、氣相生長法和外延法。隨著微納科學(xué)的發(fā)展,控制實(shí)現(xiàn)晶面指向的微域化以及形成有序-無序交替的周期或準(zhǔn)周期微圖案化晶格排列因其蘊(yùn)含著豐富的物理內(nèi)涵和應(yīng)用潛力而引起人們的關(guān)注。
液晶是一類典型的具有自組裝行為的軟物質(zhì)材料,其分子排列長程有序,呈現(xiàn)多元化(力、熱、光、電、磁等)的外場響應(yīng)特性。當(dāng)引入強(qiáng)手性作用時(shí),在特定溫度下,液晶分子呈現(xiàn)奇異的雙螺旋排列,并自組裝形成立方晶格而生成藍(lán)相。藍(lán)相晶格尺度與光波長可比擬,呈現(xiàn)出針對特定頻率范圍的光子局域特性,是一種自組裝軟光子晶體。與其它晶體類似,藍(lán)相液晶由熵變主導(dǎo)其晶格生長,晶格指向通常無序,因而降低了其光學(xué)效率。如果能夠控制該軟晶格指向,并實(shí)現(xiàn)晶格排列的有序性、微域化、圖案化,將帶來巨大的科學(xué)研究價(jià)值和工程應(yīng)用意義。
圖1. 光控軟物質(zhì)疇工程:藍(lán)相軟晶格指向的有序性、微域化和圖案化
該團(tuán)隊(duì)采用原創(chuàng)的動態(tài)掩膜光配向技術(shù)控制錨定條件實(shí)現(xiàn)晶格指向的有序,并據(jù)此實(shí)現(xiàn)了周期方格、同心圓環(huán)、叉形光柵以及數(shù)字圖形等任意微晶圖案的制備。利用K?ssel衍射對比了取向與非取向區(qū)域的晶格指向有序性差異:在取向區(qū)域衍射圖案呈現(xiàn)規(guī)則的圓環(huán);非取向區(qū)域則呈現(xiàn)模糊的多曲線疊加,直觀的證明了取向控制對晶格排列有序性的影響。藍(lán)相的有序取向區(qū)與無序區(qū)域?qū)μ囟l率光的反射率差異顯著,可用于振幅調(diào)制的衍射元件制備。與其它晶體相比,該軟晶格呈現(xiàn)出弱電調(diào)控的特性。電場作用將導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)畸變,反射波長紅移,電場撤去后,反射波長回歸初始位置。另一方面,得益于光取向材料的可擦寫性,藍(lán)相微晶圖形可反復(fù)擦寫,在可實(shí)時(shí)重構(gòu)光子學(xué)領(lǐng)域具有重要意義。
圖2. 光控軟物質(zhì)疇工程系列工作:從膽甾相、近晶A相到藍(lán)相
以液晶材料為代表的光控疇工程是軟物質(zhì)領(lǐng)域的新生熱點(diǎn),南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院在該領(lǐng)域做出了引領(lǐng)性的工作,近兩年已在AM系列發(fā)表了三篇封面文章,從膽甾相、近晶A相到藍(lán)相做了系統(tǒng)的研究工作,并基于此類人工微晶疇進(jìn)行了偏振成像、粒子操控、腔模激射等方面的應(yīng)用探索,有望產(chǎn)生一系列新的突破。
華東理工大學(xué)鄭致剛教授、袁從龍同學(xué)和南京大學(xué)胡偉副教授為本文并列一作,南京大學(xué)陸延青教授、俄亥俄州立大學(xué)李國強(qiáng)教授和肯特州立大學(xué)李全教授(南京大學(xué)兼職教授)為共同通訊聯(lián)系人。南京大學(xué)研究生唐明劼同學(xué)、華東理工大學(xué)沈冬教授、中科院物理所葉方富研究員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、自然科學(xué)基金、上海市青年科技啟明星等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201770301/full
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