近日，南京大學現(xiàn)代工學院胡偉教授課題組在液晶疇及其拓撲缺陷陣列旋轉(zhuǎn)對稱性操控方面取得重要研究進展，相關成果以“Tailoring on rotational symmetry of liquid crystal domain lattices”為題發(fā)表于《先進物理研究》上。Adv. Physics Res. 2023, 2300127.

旋轉(zhuǎn)對稱性在自然界中普遍存在，例如：礦物晶體、花冠以及蜂巢陣列。嵌段共聚物、膠體、液晶等可自發(fā)組裝形成具有不同旋轉(zhuǎn)對稱性的有序結構，這為旋轉(zhuǎn)對稱性的研究提供了一種有效途徑。自組裝過程通常是由熵驅(qū)動的，并伴隨著受挫相、形變態(tài)及各種拓撲缺陷的出現(xiàn)。對組裝機制及其動力學進行研究進而實現(xiàn)大面積有序結構的制備一直是軟凝聚態(tài)物理學的研究前沿。在組裝體系中，液晶因其豐富的相態(tài)與拓撲缺陷，以及優(yōu)異的刺激響應特性而引起關注。

向列相液晶是具有一維長程取向序的各向異性流體，通常用指向矢來描述液晶分子的局部統(tǒng)計平均取向方向。在向列相液晶中，幾何約束、相變和外場作用均會使得指向矢分布在空間發(fā)生變化，甚至中斷，從而形成不同類型的拓撲缺陷。在基板表面進行機械摩擦或化學改性可預設液晶疇及定位拓撲缺陷；采用三維幾何限制，如微通道、微柱等，可從幾何上限制液晶分子形變，進一步增強液晶自組裝的可控性；特殊電極設計也可用于操縱液晶織構的旋轉(zhuǎn)對稱性。通過上述方法通?？尚纬删哂蠧₄和C₆對稱性的液晶疇和拓撲缺陷，而對旋轉(zhuǎn)對稱性的進一步突破則受到限制。光取向技術為操縱液晶疇與拓撲缺陷的旋轉(zhuǎn)對稱性提供了一種有效的方法，然而，液晶熱運動及其流動性使得所獲得的液晶織構經(jīng)常會偏離預先設計。因此，亟需開發(fā)一種能對液晶疇及其拓撲缺陷的旋轉(zhuǎn)對稱性進行自由操控的有效手段，并對其誘導機制和動力學進行深入研究。

研究團隊利用光配向技術預設具有不同旋轉(zhuǎn)對稱性的徑向取向晶格奇點陣列（圖1第一行），誘導操控液晶組裝操控液晶疇和拓撲缺陷陣列的旋轉(zhuǎn)對稱性。當從各向同性態(tài)以?1 °C/min的降溫速度冷卻到向列相時，產(chǎn)生了向錯線陣列織構（圖1第二行）。借鑒前期工作 (Phys. Rev. Lett. 2023, 130, 078101; Phys. Rev. B. 2023, 108, 224107)發(fā)現(xiàn)的向列相-近晶相相變過程中液晶取向序的繼承性，借助近晶相下焦錐疇結構向環(huán)面焦錐疇陣列的自發(fā)轉(zhuǎn)化，升溫后實現(xiàn)對向列相向錯線的完全抑制，進而獲得與預設取向旋轉(zhuǎn)對稱性嚴格一致的墻缺陷陣列?；谠摲椒ǎ謩e獲得具有C₂、C₃、C₄和C₆對稱性的液晶疇和墻缺陷陣列（圖1第三行）。再次降溫到近晶相，得到的環(huán)面焦錐疇陣列呈現(xiàn)相同旋轉(zhuǎn)對稱性（圖1第四行）。

拓撲分析有助于我們理解旋轉(zhuǎn)對稱性對液晶序演變的影響。圖2展現(xiàn)了向錯線和墻缺陷兩類向列相缺陷的拓撲分析結果。顯然，旋轉(zhuǎn)對稱性的變化對向錯線和墻缺陷的生成帶來了影響。預設C₂（圖2a，c）和C₄（圖2g）取向?qū)ΨQ性，兩個-1/2缺陷出現(xiàn)在四個相鄰單元的交界點。而對于C₃（圖2e）和C₆（圖2i）預設取向，在交界點處分別出現(xiàn)四個和一個-1/2缺陷。每個單元中的拓撲結構特征可用所含缺陷類型及個數(shù)加和描述，上述所有情況均可表示為{（?1/2~+1/2）×2}。升溫轉(zhuǎn)變?yōu)閴θ毕蓐嚵泻螅匦闻c正方形晶格可合并表示為{+1；?1/4×4；0×4}（圖2b，h），這說明每個單元包含一個+1缺陷、四個-1/4缺陷和四個缺陷壁（藍線）。菱形晶格為{+1；?1/6×2；?1/3×2；0×4}（圖2d），三角形晶格為{+1；?1/3×3；0×3}（圖2f），六邊形晶格為{+1；?1/6×6；0×6}（圖2j）。值得注意的是，對于兩類向列相拓撲缺陷，所有單元中拓撲荷總數(shù)始終保持為零。

對C₂、C₃、C₄和C₆對稱性液晶織構的墻缺陷陣列進行衍射表征的結果表明，其衍射圖案呈現(xiàn)不同的周期性和旋轉(zhuǎn)對稱性，相應的衍射參數(shù)與預設的取向?qū)ΨQ性一致（圖3）。當樣品再次冷卻到近晶相后，衍射圖案保持不變，驗證了向列相-近晶相相變過程中液晶取向序的繼承性。

研究團隊進一步將該方法拓展至準周期液晶織構制備，如C₅對稱性（圖4）。當從各向同性狀態(tài)冷卻到向列相時，依然會出現(xiàn)向錯線陣列，與周期性晶格不同的是，向錯線陣列不再是單向排列（圖4b）。無序向錯線陣列的出現(xiàn)可歸因于取向圖案的復雜性。此時，即使在相變點附近進行反復多次的熱循環(huán)，無序的向錯線仍不能完全轉(zhuǎn)變?yōu)閴θ毕?。拓撲分析顯示，±1/2缺陷的密度及其連接類型都會增加（圖4c）。這意味著需要額外的能量來克服能量壁壘才能實現(xiàn)完美的墻缺陷陣列。團隊發(fā)現(xiàn)借助施加應力產(chǎn)生應變增強近晶相位錯的橫向遷移，可促使向錯線完全轉(zhuǎn)變?yōu)閴θ毕荨＝嘞路磸桶磯阂壕Ш?，較大的環(huán)面焦錐疇出現(xiàn)在五邊形區(qū)域，較小的環(huán)面焦錐疇則出現(xiàn)在菱形間隙區(qū)域，共同構成具有C₅對稱性的液晶織構。升溫到向列相后，拓撲分析顯示墻缺陷在五邊形晶格中可以描述為{+1；?1/5×5；0×5}，在菱形晶格中可以描繪為{+1；?1/10×2；?2/5×2；0×4}（圖4d），單元格中拓撲荷之和保持為零。衍射圖案呈現(xiàn)十重旋轉(zhuǎn)對稱性，完美驗證了所獲得墻缺陷陣列的C₅對稱性。

基于向列相-近晶相相變過程中取向序的繼承性，通過預設錨定圖案的旋轉(zhuǎn)對稱性實現(xiàn)了液晶疇及拓撲缺陷陣列旋轉(zhuǎn)對稱性的操控，實際驗證了具有C_i（i = 2~6）對稱性的周期和準周期拓撲缺陷。利用拓撲分析揭示了旋轉(zhuǎn)對稱性對向錯線和墻缺陷結構間液晶序演變的影響，探討了不同旋轉(zhuǎn)對稱性的能量比對關系，及應力增強缺陷演變的動力學機制。該工作增強了對液晶自組裝拓撲缺陷的可控性，加深了人們對組裝有序體系及其結構演變的認識。

南京大學現(xiàn)代工學院21級博士生吳金兵為論文第一作者，胡偉教授為論文通訊作者。該研究受國家重點研發(fā)計劃、自然科學基金重點項目和中央高?；究蒲袠I(yè)務費資助完成。