記者從中國科學技術大學獲悉，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，利用光學構型的方法制備了可編程控制的三維拓撲結構。此項研究成果日前發(fā)表于《美國國家科學院院刊》。
近十年來，活性軟物質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構，是理解處于非平衡態(tài)的活性軟物質的關鍵所在。由于活性軟物質具有內(nèi)在的非平衡態(tài)屬性及復雜的三維結構，對于其拓撲結構的研究一直挑戰(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構，在顯示、感應、光子器件等領域有廣泛應用。研究團隊首先控制液晶自組裝結構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合，利用此兩種構型之間的不兼容，制備了處于平衡態(tài)的三維拓撲結構。隨后，利用光照驅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系統(tǒng)，從而實現(xiàn)三維拓撲結構之間的相互轉換。由于在整個過程中，形成三維拓撲結構的二維拓撲圖案是可預設計的，研究團隊實現(xiàn)了以編程方式控制不同三維拓撲結構之間的轉換。研究人員將生物分子置于此三維拓撲結構中，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構型決定，且可以用光場對其進行復寫?？蓮蛯懙娜S拓撲缺陷會被光場引導產(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構又可誘導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)下的軟物質三維拓撲結構，并利用光照實現(xiàn)了三維拓撲結構之間以可編程的方式進行相互轉換。這項基礎研究將有助于人們理解活性軟物質中的三維拓撲結構。此工作中使用的通過控制分子自組裝來對拓撲結構進行的編程，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構領域一項意義重大的進展”。(記者 吳長鋒)
