Light | 陆延青团队：基于液晶的软物质光子学

| 导读 |

近年来，软物质光子学的研究正逐渐成为功能材料、柔性光电子、软凝聚态物理等领域的交叉研究前沿。“软物质”这一概念最早由Pierre-Gilles de Gennes在1991年的诺贝尔获奖感言中提出，描述的是介于液体和理想固体之间的材料，如胶体、泡沫、液晶、凝胶、聚合物、活性物质等，其功能组装具有自发性，同时能够灵敏感知多种外部刺激。这些特性为软物质体系在生命系统、分子器件、调光材料、生物医学等方面的应用奠定了坚实的基础。

图1.（封面图 | 艺术效果图） 液晶超结构的软物质光子学应用展示。图中显示了拓扑超结构、结构光场、及粒子操纵应用的艺术效果。

液晶是一种典型的软物质材料，兼具液体的流动性和晶体的各向异性。液晶中存在着丰富的相态，包括向列相、近晶相、胆甾相、蓝相等，并可通过分子自组装构筑各式各样的液晶态微结构（图2）。其独特的物理性质和可控的指向/位置有序性使得液晶广泛应用于当今主流信息显示领域。如果人们能够掌握如何设计、制造和操纵液晶体系中的微结构，不仅能推动软物质这一新兴学科的快速发展，同时也将为未来光学器件的开发带来新的机遇。另外，生物质液晶（如纤维素、DNA、丝蛋白等）也将为发展绿色环保、生物兼容的软物质光学平台提供新的途径。

图2. 不同液晶材料的分子排列示意图、典型织构及相关应用

近日，液晶光学领域知名专家、中国物理学会液晶分会主任陆延青教授团队，以“Self-assembled liquid crystal architectures for soft matter photonics"为题在Light: Science & Applications发表综述论文。

南京大学现代工学院马玲玲副研究员、李超逸、潘锦涛为论文共同第一作者，南京大学陆延青教授、王瑜副教授和南京邮电大学李炳祥教授为论文共同通讯作者，南京大学季月娥、蒋畅、郑仁、王泽宇对本文亦有重要贡献。该研究由国家重点研发计划（青年科学家项目）、国家自然科学基金、江苏省前沿引领技术基础研究专项基金、江苏省自然科学基金、江苏省双创计划等资助完成。

本篇文章回顾了软物质液晶光子学的最新进展，揭示了对不同液晶态超结构操控的机制，总结了液晶/生物质液晶超结构在光学领域的新兴应用，并展望了未来趋势与挑战。

软物质液晶超结构操控

物质结构是连通微观与宏观世界的关键纽带和桥梁。不同液晶相具有其特色的结构排布和纹理织构，展现出独特的物理性质，尤其是光学性质，赋予液晶器件多样化的功能和应用。

微纳尺度下，有序液晶微结构的精准构筑和动态调控对材料性能的提升发挥着重要的作用（图3）。前者的中心思想是通过将“自下而上”的液晶自组装过程与“自上而下”的微加工技术相结合来实现液晶微结构的按需制备。如利用二维边界锚定、三维几何限制等手段，人们在近晶相液晶中制备出了一系列具有光学功能的拓扑缺陷超构阵列，在胆甾相液晶中实现了几乎任意图案化的光栅超结构。后者则主要利用液晶材料对热、力、光、电、磁等外场的高灵敏响应，实现对液晶超结构（如孤子）的特定产生、手性反转、形态演变、运动行为、物理性质等方面的动态调控，展现了功能液晶超结构在光学、光电子与光子学领域不可估量的应用潜能。另外，基于纤维素的生物质液晶因具有结构可裁剪性、刺激响应性、形态多样性、易功能化等特性而推动了其在光学领域的发展。

图3. 液晶超结构操控

值得一提的是，光控取向技术因其高分辨、图案化、可编程、高效率等特点正逐步成为液晶取向的关键技术。团队基于数控微镜阵列（digital micro-mirror device, DMD）的动态无掩膜光控取向技术（图4），实现了对各相态多层级液晶超结构的精确灵活操控。

图4. 动态无掩膜微缩投影曝光系统

液晶超结构光学/光子学应用

• 智能显示

现代显示呈现智能化、集成化、柔性化的发展趋势。文中回顾了基于热致/溶致液晶的结构色微显示器件，包括光响应液晶全彩反射显示、液晶微滴双色标签、气动液晶弹性体多彩显示、基于纤维素纳米晶体写入/擦除的“光子纸”、生物质液晶“光子皮肤”。

• 多维成像

透镜是许多与我们的生活息息相关的光学仪器不可或缺的组成部分。相比于传统透镜，液晶透镜具有可调谐、偏振敏感等优势。文中列举了多种几何相位/动态相位透镜、可见光/太赫兹液晶透镜以及仿生四维可视化透镜阵列（图5）等多维成像元件。

图5. 基于液晶微透镜阵列的四维可视化成像

• 光场调控

液晶材料因其优异的电光性质可用于开发各种可调谐光场调控元件。图6列举了液晶中反射/透射式结构光的产生、轨道角动量的检测、微纳拓扑激射的实现，展示了其在时空结构光场领域的功能与应用。

图6. 液晶超结构及其光子器件

• 软执行器

软执行器因其在多环境下的灵活致动形变，一直是微机器人领域的研究热点。文中基于小分子和高分子液晶材料，展示了丰富的执行操纵功能，介绍了发丝定向“攀爬器”、形变与变色协同的仿生“蜥蜴”、湿度驱动“折纸花”、仿生自清洁表面、和粒子输运操纵等液晶软执行器。

• 智能窗户

双碳时代下，智能窗户的开发是实现光/热高效利用的重要途径。液晶因其优良的多重刺激响应性正逐步成为智能窗的重要潜在材料。通过将液晶与半导体材料、新型低维材料、摩擦纳米发电机等结合，可进一步提升节能性能，并实现自供电智能窗户。赋能新光学材料和节能器件应用。

总结与展望

可控液晶超结构在软物质光子学领域的潜力巨大。相关元件具有平面化、可编程、可调谐、柔性化、低成本、高效率、多功能等特点，但仍需从设计、材料、结构、器件等层面揭示背后的一系列核心问题，包括复杂超结构自组装动力学机理、最优化“结构-物性-功能”关系、材料/器件集成方法、大面积制备技术、新奇物理效应等。能够精准设计、制备与调控液晶超结构的操控技术将持续在下一代液晶光子器件与应用中扮演重要角色。

综上，软物质液晶超结构为现阶段光学/光子学领域的诸多问题提供了独特的解决方案，使得软物质光子学逐步走向更广阔的舞台。这一工作将激励研究人员进一步挖掘液晶超结构在软物质光子学及其众多应用方面的潜力。科学家们相信液晶可以在软物质物理和柔性光电子产业中发挥重要作用。

| 论文信息 |

Ma, LL., Li, CY., Pan, JT. et al. Self-assembled liquid crystal architectures for soft matter photonics.Light Sci Appl 11, 270 (2022). 

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00930-5

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