2016年，關(guān)于拓撲相變和拓撲相的理論研究工作被授予諾貝爾物理獎。因此，將數(shù)學(xué)中拓撲的概念引入至凝聚態(tài)物理系統(tǒng)中產(chǎn)生了各種新奇的物理現(xiàn)象。其中，拓撲糾纏是理解固體系統(tǒng)中拓撲序的關(guān)鍵。而在軟物質(zhì)凝聚態(tài)系統(tǒng)，特別是液晶體系中，拓撲糾纏則以具有三維拓撲結(jié)構(gòu)的向錯線纏繞膠體顆粒的形式存在。驅(qū)動非平衡態(tài)拓撲糾纏并實現(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)。針對此科學(xué)問題，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理系彭晨暉教授團隊和香港科大張銳教授團隊合作，利用液晶為研究體系，首先解析了具有不同拓撲結(jié)構(gòu)的向錯線和膠體顆粒形成膠體糾纏結(jié)構(gòu)的機制，而后展示了拓撲結(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。該團隊闡明了如何利用向錯線的拓撲和幾何特性實現(xiàn)膠體糾纏結(jié)構(gòu)的集體手性轉(zhuǎn)換的物理機制。這項工作為設(shè)計智能膠體復(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)表于美國科學(xué)院院刊PNAS 121, e2402395121(2024)。
研究團隊在前期首先揭示了光驅(qū)動活性物質(zhì)三維拓撲結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)了各三維拓撲結(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)雜三維拓撲結(jié)構(gòu)（Nature Communications, 15, 1655 (2024)），利用光驅(qū)動三維拓撲結(jié)構(gòu)形變，發(fā)現(xiàn)了光驅(qū)動活性膠體自組裝新機制（PNAS 120, e2221718120 (2023)）。然而，在微觀尺度，膠體顆粒周圍的拓撲結(jié)構(gòu)與向錯線拓撲結(jié)構(gòu)如何耦合形成膠體糾纏結(jié)構(gòu)，且向錯線拓撲結(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，研究團隊通過在向列相液晶中引入兩種不兼容的拓撲模式，制備了膠體糾纏結(jié)構(gòu)。膠體糾纏的形成機制源于向錯線拓撲結(jié)構(gòu)與膠體拓撲結(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，向錯線在光驅(qū)動至非平衡狀態(tài)時，膠體糾纏結(jié)構(gòu)的重構(gòu)得以實現(xiàn)。具體來說，由于向錯線中拓撲結(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。研究團隊通過操縱位錯線的拓撲模式和幾何形狀，還實現(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，通過控制向錯線網(wǎng)絡(luò)的時空演化，還實現(xiàn)了一種復(fù)雜的膠體糾纏雙螺旋結(jié)構(gòu)。
通過深入理解拓撲糾纏的形成和重構(gòu)機制，研究團隊能夠精確控制材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)對其宏觀性能的調(diào)控。拓撲學(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器的設(shè)計和開發(fā)提供了新的思路。
圖1. 膠體糾纏的集體手性變換
此工作實驗部分由中國科大彭晨暉教授團隊完成，理論模擬部分由香港科大張銳教授團隊完成。彭晨暉教授和張銳教授為本文共同通訊作者，中國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）
