近日，國際知名期刊Science Advances, 11,  eads7281 (2025)在線發(fā)表了中國科學技術大學彭晨暉教授、蔣景華研究員和香港科大張銳教授團隊合作研究成果“Nonreciprocal chirality conversion in spatiotemporal evolutions of nematic colloidal entanglement”。通過精準調控向列液晶中缺陷環(huán)的時空演化，實現(xiàn)了膠體糾纏手性的非互易轉換。合作團隊在具有莫比烏斯帶拓撲結構的向錯環(huán)中實現(xiàn)了膠體糾纏手性的可控設計，揭示了動態(tài)過程中手性轉換的非互易性機制。通過實驗和模擬證明，膠體沿不同方向移動時手性轉換不可逆，這一現(xiàn)象由拓撲結構與幾何曲率的相互作用驅動，這項工作為智能膠體材料的設計開辟了新路徑。

該工作利用晶萃光學JCOPTIX提供的激光光鑷系統(tǒng)，在24℃下，對光刻圖案化處理后的液晶盒內膠體進行操控，揭示了拓撲結構動態(tài)演化對手性傳遞的調控機制。

合作團隊創(chuàng)新性地利用莫比烏斯帶拓撲結構，在液晶中構建了具有動態(tài)特性的缺陷環(huán)網(wǎng)絡。通過激光光鑷技術操控膠體粒子沿缺陷環(huán)運動時，發(fā)現(xiàn)膠體纏繞結構的手性（左旋/右旋）轉換呈現(xiàn)顯著的非對稱特性：順時針移動時手性保持不變，而逆時針移動時發(fā)生不可逆轉換，如圖1所示。這種效應源于缺陷環(huán)的幾何曲率與拓撲特性的協(xié)同作用，從而揭示了拓撲結構動態(tài)演化對手性傳遞的調控機制。

圖1 膠體顆粒在莫比烏斯拓撲結構缺陷環(huán)上的可控膠體糾纏

而后，合作團隊通過光控技術實現(xiàn)了缺陷環(huán)的可逆收縮-膨脹循環(huán)。實驗表明，在環(huán)收縮過程中膠體手性發(fā)生兩次轉換，而膨脹過程中則保持穩(wěn)定。這種非互易特性使同一位置在不同演化階段呈現(xiàn)相反手性，為動態(tài)可編程材料提供了全新設計思路。團隊進一步展示了利用任意形狀缺陷線模板化組裝膠體結構的可能性，成功構建了"USTC"字樣等復雜拓撲結構。

該成果突破了傳統(tǒng)手性材料設計的局限，首次將拓撲缺陷的動態(tài)演化與膠體糾纏手性調控相結合。這項工作就像為材料科學家提供了一組拓撲樂高，通過設計缺陷網(wǎng)絡的時空演化路徑，可以按需定制膠體材料的動態(tài)響應特性。這種智能材料在微納機器人、自適應光子器件、生物傳感等領域具有重要應用潛力。例如，可設計微型機械手通過路徑選擇實現(xiàn)抓取-釋放功能，或構建光驅動邏輯門用于分子計算。

此項研究結合了軟物質物理、拓撲數(shù)學和微納操控技術。合作團隊利用自主搭建的基于投影顯示的無掩模光刻系統(tǒng)，實現(xiàn)了液晶取向場的精準圖案化。合作團隊開發(fā)的理論模型成功預測了實驗現(xiàn)象，揭示了曲率-拓撲耦合效應的物理本質。

此工作實驗部分由中科大彭晨暉教授、蔣景華研究員團隊完成，理論模擬部分由香港科技大學張銳教授團隊完成。彭晨暉教授、蔣景華研究員和張銳教授為本文共同通訊作者，中科大研究生張婧、香港科大博士生唐文滔和中科大博士生扎吾熱阿斯了漢為本文共同第一作者。中科大本科生陳子君、研究生石青田和博士生Fernando Vergara為共同作者。該工作得到了國家自然科學基金、中國科學院百人計劃、安徽省自然科學基金、中科大雙一流平臺建設經(jīng)費、中科大青年創(chuàng)新重點基金和香港研究資助局的資助。

作者特別感謝南京晶萃光學科技有限公司提供的光學設備支持。