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《先进光学材料》：南大陆延青团队综述光控液晶多层级超结构研究进展: 胡伟 2019-6-8 03:50; 南京大学陆延青教授团队应邀综述光控液晶多层级超结构研究最新进展，相关内容以 Light-activated liquid crystalline hierarchical architecture toward photonics 为题，于 2019 年 5 月 27 日在线发表在《先进光学材料》上（ Adv. Optical Mater. 2019, 1900393 ）。微结构是连通微观与宏观两个世界的桥梁。自然界中许多奇妙的现象，如昆虫翅膀的减反特性、蝴蝶翅膀与孔雀羽毛绚丽的结构色、荷叶“出淤泥而不染” 的自洁能力以及水黾“轻功水上漂”与壁虎飞檐走壁的超能力等，均源自组织内复杂而精致的多层级超结构。这种微纳尺度下有序多层级结构的嵌套在功能材料中同样发挥着至关重要的作用。液晶分子作为一种典型的软物质构筑基元，因其优异的、外场可调的组装特性而备受关注。相比机械力、声场、温度、电场、磁场等控制手段，光场作为一种非接触式的远程控制手段，呈现出更高的时空分辨率，因而在液晶超结构组装调控方面具有独特的优势。液晶分子的自组装行为是由熵变主导的，光控实现液晶微观结构的长程化有序，从而获得理想的多层级超结构一直是一项很大的挑战。近年来，各种液晶多层级超结构的制备与应用研究层出不穷，取得了很大的进展，并展现出了广阔的应用前景。图 1. 光控胆甾相、近晶相、蓝相液晶多层级超结构本进展报告主要分两个部分：第一部分分别回顾了层状近晶相、一维螺旋胆甾相和立方晶格蓝相三类液晶中的多层级超结构，集中展示了光控液晶多层级超结构方面的最新进展。报告介绍了通过特殊处理的二维表面、三维几何结构限制以及外场刺激等操控近晶相液晶分子层的展曲形变，从而实现了对近晶相液晶中缺陷态焦锥畴阵列的尺寸、形状、朝向和晶格对称性等几何维度的操控。展示了利用图案化光取向技术和光驱动分子马达对胆甾相液晶螺旋超结构，包括螺旋轴指向、螺距大小、手性反转和周期结构旋转等，进行有规律可循的控制。蓝相液晶作为一种独特的自组装光子晶体材料，引入光取向和光敏类材料同样可以对其结构特性进行调控，进而实现各类光驱动的材料性能的改变。第二部分讲述了这些光控液晶多层级超结构在光子学领域的具体应用实例。这些独特的多层级超结构为新型光子学元件的设计带来了全新的机会。论文展示了其在微透镜阵列、光束控制、特种光场产生与检测，以及液晶激光器等方方面面的应用。最后，该文从材料改进、机理解释、光驱动超结构的应用等几方面对未来研究方向进行了展望。作者希望本进展报告能够为该领域的研究者提供一个近年光控液晶多层级超结构研究的主线和概况，吸引更多研究者投身该领域的研究，合力为新型智能光学材料打开一扇大门，并进一步探索更多超越光学领域的新应用，如软物质基绿色能源与生物医药，乃至微操控及微流控等诸多方面。南京大学马玲玲博士、胡伟教授，华东理工大学郑致刚教授为本文共同一作，南京大学陆延青教授、肯特州立大学李全教授为共同通讯作者，南京大学吴赛博同学、陈鹏博士对本文亦有重要贡献。感谢自然科学基金、江苏省杰出青年学者基金、仲英青年学者项目、南京大学研究生院科研基金的资助，同时感谢人工微结构科学与技术协同创新中心、南京大学十百千工程、中央高校基本科研业务费等平台与项目的支持。; 个人分类: 成果报道|5036 次阅读|0 个评论

AM内封面文章：分子层“折纸术”: 热度 2 胡伟 2017-4-14 00:36; 最近，南京大学胡伟副教授、陆延青教授团队与苏州大学迟力峰教授团队合作在操控近晶相液晶分子层焦锥畴超结构方面取得重要进展。该研究成果于 2017 年 4 月 13 日发表在最新一期《先进材料》上（ “Smecticlayer origami via preprogrammed photoalignment” Adv. Mater. 2017, 29 , 1606671. ）。结构连结了微观与宏观世界，在材料体系中扮演着重要的角色。自然界众多奇妙的现象，例如孔雀羽毛和蝶翼闪耀着的斑斓虹彩，荷叶 “ 出淤泥而不染 ” 的自洁能力，水黾的轻功水上漂，大多源自于生命体复杂而精致的多层级介观超结构。正是这种微纳尺度下有序结构的嵌套，在宏观上给出了如此美丽而神奇的性质，并非常艺术范儿的为我们进行材料设计提供了源源不断的灵感。液晶分子的组装行为可通过外场调谐控制，因此是一种性能优良的组装单元。其中，近晶相液晶因其有序分子层的结构特点而备受关注。其棒状分子分层排列，每一层内分子长轴相互平行且垂直或倾斜于层面。近晶相液晶涂敷薄膜因上下两侧表面能的不对称，分子层会发生有序空间弯曲成为杜宾四次环面，进而形成规整的环面焦锥畴阵列（ Toric focal conic domains, TFCDs ，图 1a ）。近晶相液晶分子的组装行为受液晶弹性和界面锚定特性的共同影响。人们通过膜厚调节，交叉摩擦和布置不同取向材料来控制 TFCD 的尺寸和排列；进一步在基板上引入微柱或微槽阵列，可以增强这种控制能力。然而，这种操控仅限于尺寸和排列两类要素，所生成的畴也都是具有旋转对称性的 TFCD 。如果能够像折纸术（ Origami ，一种通过弯曲和折叠二维纸张创造各种三维物件的艺术）一样对近晶相液晶分子层的空间弯曲进行任意控制，那必将大大丰富近晶相液晶多层级介观超结构的设计与制备。图 1 ：通过预设二维表面配向控制 SmA 分子层空间弯曲实现 Fragmented-TFCDs 多层级超结构的全结构要素控制。该团队创造性地将动态掩模光取向技术引入近晶相液晶超结构控制，将“自上而下”的图案化取向与 “ 自下而上 ” 的液晶分子组装相结合，证实了上述分子层“折纸术”的设想。首先，引入两个相邻 ±45° 取向的区域，在各自区域内，缺陷线倒向取向方向，形成扇形的 square FCDs （ SFCDs ）；但在边界区域，相邻的分子层连接形成半圆形畴（图 1b ）。这是由于在两侧取向的方向上，液晶分子受取向剂表面锚泊力的影响，沿该方向排列，而另外一半由于与表面取向发生冲突而受到抑制，最终只生成半个 TFCD （图 1c ）。这打破了传统 TFCD 的旋转对称性，进而引入了形状和方向两个全新的几何维度。当引入周期交替的 ±45° 取向时，可诱导出朝向完全相反的半环面焦锥畴阵列，由于要满足与取向层方向吻合，两种情形会错开半个周期（图 1d ）。当相邻取向方向变为 0° 和 90° 时，半环面焦锥畴阵列的朝向变为 ±45° ，由于此时取向对两种情况均不违背，两者出现在同一列中，由 3/4 TFCD 或垂面区连接（图 1e ）。在 6 μm 到 16 μm 的周期范围内，畴的大小完全由预设的取向周期控制；当超过此范围，同一周期内会产生新的 SFCD ；而小于此范围，液晶层能接受到相邻取向区的影响，造成缺陷线偏向平均取向方向，也形成类似 SFCD 的畴。当进一步引入二维棋盘格形状的二元取向，并使相邻区域的取向角度从 ±15° 变化到 ±45°, 研究人员获得了内角从 100° 到 180° 的不同 Fragmented TFCDs （图 1f-h ）。这说明近晶相液晶焦锥畴的任何几何要素（大小、形状、方向、倾角）都可以通过合理的预设取向方向和图形来进行合理的控制；另外，由于每个畴的缺陷点精确坐落于取向边界的交叉点上，这使得精确操控畴的位置排列成为可能。该类近晶相液晶焦锥畴打破了环面焦锥畴的旋转对称性，加上液晶材料自身的光学各向异性，呈现出了新颖的偏振依赖的不对称衍射现象。对图 1h 所示样品进行衍射实验，其衍射图样很好的反映了结构的对称特点（图 2a-d ）。随着入射偏振旋转，不同衍射级呈现出不同的变化规律（图 2e-h ）。这源于该类液晶畴独特的超结构。研究者对图 2a-d 所对应的情形进行了分析：对图 2j 所示情形，水平偏振对应着一组对称的锯齿形相位截面，所以在图 2a 中，所有的衍射斑点是左右对称的；而对于图 2k-l 所示的几种情形，对应的都是非对称的锯齿形相位截面，因而产生了类似闪耀光栅的衍射现象（图 2b-d ）。图 2 ： Fragmented-TFCDs 表现出与 Meta-surface 相似的偏振依赖的衍射特性。该研究拓宽了人们对软物质材料自组装行为的认识，增强了人们设计构筑多层级超结构材料的能力，是软物质材料和纳米技术领域的一项重大突破。近晶相液晶焦锥畴全维度操控的实现，将有助于我们打造更多新颖的先进功能材料和器件：如超疏水智能表面、软刻蚀模板、粒子捕获与疏运材料、仿生复眼阵列、偏振成像探测器件等。图 3: 文章被选为该期内封面该文章被选为该期的内封面。封面整体造型仿清官员补子，有显著东方文化特色；云锦纹暗含了研究出自南京；居中采用金朝经典双鱼纹，既有阴阳和谐、连年有余的吉祥寓意，又暗含了自组装、仿生之意；下方江崖海水纹，山崖嵌入织构，不同颜色和宽度寓意厚度和周期可控；水纹、浪花、云纹暗合焦锥畴结构，内嵌两个真实织构，寓意角度、位置、构造可控；鱼身上的鳞片意同水纹，两条相反的鱼寓意双向等价；背景纹暗合焦锥畴的三维层状结构；星星排列和明暗分布暗合不对称结构导致的独特衍射现象。本文第一作者为南大 14 级硕博连读生马玲玲同学，南大研究生唐明劼、葛士军、陈鹏同学，苏州大学崔泽群博士，厦门大学陈鹭剑副教授，南京工业大学钱皓博士对本文有重要贡献，胡伟副教授、陆延青教授与苏州大学迟力峰教授为共同通讯作者。该研究由国家自然科学基金项目资助完成，同时受到人工微结构科学与技术协同创新中心支持。; 个人分类: 成果报道|7117 次阅读|3 个评论

精确操控胆甾相液晶螺旋轴走向: 热度 1 胡伟 2015-12-19 03:37; 精确操控胆甾相液晶螺旋轴走向我们与厦门大学合作，利用光取向技术实现了对胆甾相液晶螺旋轴走向的控制。该研究成果于 2015 年 12 月 14 日发表在《先进光学材料》上，并被选为当期封面。 ( Rationally designed dynamic superstructures enabled by photo-aligning cholesteric liquid crystals Adv. Optical Mater. 2015, 3 (12), 1691–1696. ) 从星系、藤蔓到 DNA ，螺旋结构普遍存在。胆甾相液晶 (Cholesteric liquid crystals，CLC) 因自身具有手性或手性分子的掺入，其自组装体也显现出螺旋结构。因液晶具有光学各向异性，沿着螺旋轴方向折射率呈周期性变化。当螺旋轴在液晶盒内平躺时，在偏光显微镜下将呈现出经典的指纹织构 (Fingerprint texture) 。它作为一种周期可调的光子晶体，在光束控制和光谱分析等领域具有广阔的应用前景。然而，指纹织构通常是通过绒布摩擦等机械方法进行控制，均匀性差、缺陷较多，更无法实现螺旋轴指向的任意操控，这大大限制了其实际应用。与摩擦取向相比，光取向作为一种非接触式的配向技术则完全避免了静电、颗粒和机械损伤，适用于大面积、高精度、图形化的取向控制，并可有效调控预倾角和锚定能等参数，这为 CLC 的精确甚至任意操控打开了一扇大门。左：封面；右： a ）角向取向平面态胆甾相液晶分子排列示意图和 c ）偏光显微织构图； b ）电压（ 2.4 V ， 1 kHz ）诱导螺旋轴面内排列示意图和 d ）偏光显微镜下的阿基米德螺旋型条纹织构。基于上述认识，我们与厦大一拍即合，利用彼此在光配向技术和 CLC 研究方面的优势，合作对该课题进行了探索攻关。通过开创性地将光取向技术应用于 CLC 指纹织构控制，使得原本均匀一维条纹织构都难以控制的指纹织构出现了可喜的变化。利用光取向技术我们实现了整个液晶盒内大面积均匀的光栅制备，偏光显微镜观察和衍射实验表明，光栅品质较比传统摩擦取向方法有了质的提升。进一步的，我们在取向结构上引入变化，并惊喜地发现 CLC 螺旋轴受到取向层诱导发生了走向的变化，这为精确操控 CLC 螺旋轴走向提供了可能。我们利用角向取向的结构，在电压诱导下获得了阿基米德螺线形的条纹织构，并对其生长和消退的动态过程进行了追踪。为进一步研究螺旋轴走向操控背后的规律，我们详细研究了取向方向和螺旋轴指向的关系，并系统考察了二畴情况下取向角及相错线对螺旋轴指向的影响。基于对规律的认识和掌握，我们利用边界限制结合取向控制获得了不同边界形状的阿基米德螺线，螺线自适应填充满整个取向区域。我们还制备了波浪形光栅织构。上述规律的探索使得 CLC 螺旋超结构的更为复杂的甚至任意的操控成为可能。该研究为液晶分子螺旋形超结构的研究打下了基础，同时，也为软物质超结构材料的可控生长提供了全新的思路。大面积高品质光栅的制备和 CLC 螺旋轴走向的前所未有的精确控制的实现，有希望为先进光学元件的设计开发开辟了一条全新的途径。本论文第一作者为南京大学 2014 级硕博连读生马玲玲同学，南京大学胡伟副教授和厦门大学陈鹭剑副教授为共同通信作者。本研究得到了国家自然科学基金、教育部博士点基金、固体微结构物理国家重点实验室开放课题及高等学校基本科研业务费的支持。; 个人分类: 成果报道|6451 次阅读|1 个评论

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