2016年，關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，將數學中拓撲的概念引入至凝聚態物理系統中產生了各種新奇的物理現象。其中，拓撲糾纏是理解固體系統中拓撲序的關鍵。而在軟物質凝聚態系統，特別是液晶體系中，拓撲糾纏則以具有三維拓撲結構的向錯線纏繞膠體顆粒的形式存在。驅動非平衡態拓撲糾纏并實現其可重構自組裝一直是凝聚態物理領域內的巨大挑戰。針對此科學問題，中國科學技術大學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構的向錯線和膠體顆粒形成膠體糾纏結構的機制，而后展示了拓撲結構的非平衡態相互轉換可激發膠體糾纏結構的手性變化。該團隊闡明了如何利用向錯線的拓撲和幾何特性實現膠體糾纏結構的集體手性轉換的物理機制。這項工作為設計智能膠體復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”為題發表于美國科學院院刊PNAS 121, e2402395121(2024)。

研究團隊在前期首先揭示了光驅動活性物質三維拓撲結構，并實現了各三維拓撲結構間的相互轉換（PNAS 119, e2122226119 (2022)）, 利用莫爾效應操控復雜三維拓撲結構（Nature Communications, 15, 1655 (2024)），利用光驅動三維拓撲結構形變，發現了光驅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構與向錯線拓撲結構如何耦合形成膠體糾纏結構，且向錯線拓撲結構的變化如何引起膠體糾纏結構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，制備了膠體糾纏結構。膠體糾纏的形成機制源于向錯線拓撲結構與膠體拓撲結構的耦合。在沒有外部刺激的情況下，非手性向列相液晶中可隨機產生左手和右手兩種不同手性的膠體糾纏結構。然而，向錯線在光驅動至非平衡狀態時，膠體糾纏結構的重構得以實現。具體來說，由于向錯線中拓撲結構的轉變，誘導膠體糾纏結構手性的可控轉換。研究團隊通過操縱位錯線的拓撲模式和幾何形狀，還實現了膠體糾纏的合并和分裂等多種集體行為。手性轉換表現為膠體自組裝的集體旋轉的“多米諾效應”，如圖所示。此外，通過控制向錯線網絡的時空演化，還實現了一種復雜的膠體糾纏雙螺旋結構。

通過深入理解拓撲糾纏的形成和重構機制，研究團隊能夠精確控制材料的微觀結構，從而實現對其宏觀性能的調控。拓撲學在軟物質系統中的應用不僅為材料科學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計和開發提供了新的思路。

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基金、安徽省自然科學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）