2016年,，關(guān)于拓?fù)湎嘧兒屯負(fù)湎嗟睦碚撗芯抗ぷ鞅皇谟柚Z貝爾物理獎(jiǎng),。因此，將數(shù)學(xué)中拓?fù)涞母拍钜胫聊蹜B(tài)物理系統(tǒng)中產(chǎn)生了各種新奇的物理現(xiàn)象,。其中,，拓?fù)浼m纏是理解固體系統(tǒng)中拓?fù)湫虻年P(guān)鍵,。而在軟物質(zhì)凝聚態(tài)系統(tǒng)，特別是液晶體系中,，拓?fù)浼m纏則以具有三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的向錯(cuò)線纏繞膠體顆粒的形式存在,。驅(qū)動(dòng)非平衡態(tài)拓?fù)浼m纏并實(shí)現(xiàn)其可重構(gòu)自組裝一直是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域內(nèi)的巨大挑戰(zhàn)。針對(duì)此科學(xué)問題,，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系彭晨暉教授團(tuán)隊(duì)和香港科大張銳教授團(tuán)隊(duì)合作,，利用液晶為研究體系，首先解析了具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的向錯(cuò)線和膠體顆粒形成膠體糾纏結(jié)構(gòu)的機(jī)制,，而后展示了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的非平衡態(tài)相互轉(zhuǎn)換可激發(fā)膠體糾纏結(jié)構(gòu)的手性變化,。該團(tuán)隊(duì)闡明了如何利用向錯(cuò)線的拓?fù)浜蛶缀翁匦詫?shí)現(xiàn)膠體糾纏結(jié)構(gòu)的集體手性轉(zhuǎn)換的物理機(jī)制。這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)智能膠體復(fù)合材料開辟了新方向,。9月4日,，成果通過直投的方式以“Topology-driven collective dynamics of nematic colloidal entanglement”為題發(fā)表于美國(guó)科學(xué)院院刊PNAS 121, e2402395121(2024)。
研究團(tuán)隊(duì)在前期首先揭示了光驅(qū)動(dòng)活性物質(zhì)三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，并實(shí)現(xiàn)了各三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)間的相互轉(zhuǎn)換（PNAS 119, e2122226119 (2022)）, 利用莫爾效應(yīng)操控復(fù)雜三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Nature Communications, 15, 1655 (2024)）,，利用光驅(qū)動(dòng)三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形變，發(fā)現(xiàn)了光驅(qū)動(dòng)活性膠體自組裝新機(jī)制（PNAS 120, e2221718120 (2023)）,。然而,，在微觀尺度，膠體顆粒周圍的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與向錯(cuò)線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何耦合形成膠體糾纏結(jié)構(gòu)，且向錯(cuò)線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化如何引起膠體糾纏結(jié)構(gòu)的變化等問題一直懸而未決,。
因此,，研究團(tuán)隊(duì)通過在向列相液晶中引入兩種不兼容的拓?fù)淠Ｊ剑苽淞四z體糾纏結(jié)構(gòu),。膠體糾纏的形成機(jī)制源于向錯(cuò)線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與膠體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的耦合,。在沒有外部刺激的情況下，非手性向列相液晶中可隨機(jī)產(chǎn)生左手和右手兩種不同手性的膠體糾纏結(jié)構(gòu),。然而,，向錯(cuò)線在光驅(qū)動(dòng)至非平衡狀態(tài)時(shí)，膠體糾纏結(jié)構(gòu)的重構(gòu)得以實(shí)現(xiàn),。具體來(lái)說,，由于向錯(cuò)線中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，誘導(dǎo)膠體糾纏結(jié)構(gòu)手性的可控轉(zhuǎn)換,。研究團(tuán)隊(duì)通過操縱位錯(cuò)線的拓?fù)淠Ｊ胶蛶缀涡螤?，還實(shí)現(xiàn)了膠體糾纏的合并和分裂等多種集體行為。手性轉(zhuǎn)換表現(xiàn)為膠體自組裝的集體旋轉(zhuǎn)的“多米諾效應(yīng)”,，如圖所示,。此外，通過控制向錯(cuò)線網(wǎng)絡(luò)的時(shí)空演化,，還實(shí)現(xiàn)了一種復(fù)雜的膠體糾纏雙螺旋結(jié)構(gòu),。
通過深入理解拓?fù)浼m纏的形成和重構(gòu)機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)能夠精確控制材料的微觀結(jié)構(gòu),，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其宏觀性能的調(diào)控,。拓?fù)鋵W(xué)在軟物質(zhì)系統(tǒng)中的應(yīng)用不僅為材料科學(xué)開辟了新的研究方向，而且為智能活性材料和自組裝微型機(jī)器的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了新的思路,。
圖1. 膠體糾纏的集體手性變換
此工作實(shí)驗(yàn)部分由中國(guó)科大彭晨暉教授團(tuán)隊(duì)完成,，理論模擬部分由香港科大張銳教授團(tuán)隊(duì)完成。彭晨暉教授和張銳教授為本文共同通訊作者,，中國(guó)科大研究員蔣景華博士,，孟菲斯大學(xué)Oluwafemi Akomolafe 和香港科大王馨玉博士為本文共同第一作者。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金,、安徽省自然科學(xué)基金和香港研究資助局的資助,。
論文信息：
Topology-driven collective dynamics of nematic colloidal entanglement
https://doi.org/10.1073/pnas.2402395121
（物理系、科研部）
