2016年設(shè)計和合成分子機(jī)器的工作被授予諾貝爾化學(xué)獎,。如何利用分子機(jī)器的協(xié)同作用驅(qū)動微觀尺度物體的集體運動仍然是一個挑戰(zhàn)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院彭晨暉教授團(tuán)隊結(jié)合光驅(qū)動分子馬達(dá)與向列相液晶分子具有長程有序和取向可控的特點,，利用光驅(qū)動偶氮苯分子的協(xié)同效應(yīng)誘導(dǎo)液晶分子的集體運動及重新排列,，同時引發(fā)向列相中向錯線的時空演變,，從而實現(xiàn)了膠體顆粒的集體傳遞和可重構(gòu)自組裝,。該團(tuán)隊闡明了如何利用預(yù)設(shè)計的拓?fù)淙毕莺瓦h(yuǎn)離平衡態(tài)的向錯線網(wǎng)絡(luò)控制可編程膠體自組裝的新機(jī)制。這項工作為設(shè)計智能復(fù)合材料開辟了新方向,，此項工作通過直投方式于2023年4月12日以“Collective transport and reconfigurable assembly of nematic colloids by light-driven cooperative molecular reorientations”為題發(fā)表于美國科學(xué)院院刊（Proceedings of National Academy of Sciences of the United States of America）,。
液晶是一類分子取向長程有序的各向異性材料，其在顯示,、感應(yīng),、光子器件等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。研究團(tuán)隊首先利用自搭建的裝置通過預(yù)設(shè)計的方式控制偶氮苯分子機(jī)器排列,，從而控制液晶微結(jié)構(gòu)自組裝并制備了可編程控制的向錯線網(wǎng)絡(luò),。在光驅(qū)動作用下，偶氮苯分子機(jī)器的協(xié)同作用引起襯底表面液晶微結(jié)構(gòu)分子取向的變化,，從而引發(fā)樣品內(nèi)部向錯網(wǎng)絡(luò)的群體動力學(xué)形態(tài)變化,。如果將膠體顆粒置于此遠(yuǎn)離平衡態(tài)的系統(tǒng)中，隨著光驅(qū)動向錯線網(wǎng)絡(luò)的形變,，膠體顆?？梢员混`活地?fù)炱?、運輸和重新組裝。不僅如此,，膠體自組裝的集體運輸和重組還可以通過控制照射光的偏振方向,，控制他們運輸?shù)姆较蚝头绞剑热缙揭?、以順時針方向或者逆時針方向旋轉(zhuǎn),，從而實現(xiàn)了微米尺度膠體顆粒的可編程自組裝。
在此過程中,，研究團(tuán)隊還闡明了預(yù)設(shè)計的拓?fù)淙毕萑绾慰刂颇z體顆粒在向錯線上的運動機(jī)制,，此機(jī)制由液晶局部預(yù)設(shè)計的展開和彎曲形變的彈性特性來決定。因此,，此光驅(qū)動可編程膠體自組裝的物理機(jī)制在于,，通過光照使納米尺度的分子機(jī)器進(jìn)行協(xié)同重組，利用分子機(jī)器與液晶分子的相互作用控制納米尺度液晶分子取向的變化,。由于液晶分子具有長程有序的特性,，引發(fā)表面宏觀尺度液晶分子取向的變化。此宏觀變化進(jìn)一步通過表面錨定驅(qū)動樣品內(nèi)部液晶微結(jié)構(gòu)的變化,，從而實現(xiàn)了宏觀尺度的向錯線網(wǎng)絡(luò)和膠體自組裝的重構(gòu),。
圖1 光驅(qū)動可編程膠體自組裝
這項工作中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)特任研究員蔣景華博士,，香港科大王馨玉博士,，孟菲斯大學(xué)Oluwafemi Akomolafe為本文共同第一作者。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)彭晨暉教授和香港科大張銳教授為本文共同通訊作者,。
論文信息：Collective transport and reconfigurable assembly of nematic colloids by light-driven cooperative molecular reorientations,PNAS, 120, e2221718120, (2023)
論文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2221718120
（物理學(xué)院,、科研部）
