2016年設計和合成分子機器的工作被授予諾貝爾化學(xué)獎。如何利用分子機器的協(xié)同作用驅動(dòng)微觀(guān)尺度物體的集體運動(dòng)仍然是一個(gè)挑戰。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院彭晨暉教授團隊結合光驅動(dòng)分子馬達與向列相液晶分子具有長(cháng)程有序和取向可控的特點(diǎn)，利用光驅動(dòng)偶氮苯分子的協(xié)同效應誘導液晶分子的集體運動(dòng)及重新排列，同時(shí)引發(fā)向列相中向錯線(xiàn)的時(shí)空演變，從而實(shí)現了膠體顆粒的集體傳遞和可重構自組裝。該團隊闡明了如何利用預設計的拓撲缺陷和遠離平衡態(tài)的向錯線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制可編程膠體自組裝的新機制。這項工作為設計智能復合材料開(kāi)辟了新方向，此項工作通過(guò)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(lèi)分子取向長(cháng)程有序的各向異性材料，其在顯示、感應、光子器件等領(lǐng)域有廣泛應用。研究團隊首先利用自搭建的裝置通過(guò)預設計的方式控制偶氮苯分子機器排列，從而控制液晶微結構自組裝并制備了可編程控制的向錯線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。在光驅動(dòng)作用下，偶氮苯分子機器的協(xié)同作用引起襯底表面液晶微結構分子取向的變化，從而引發(fā)樣品內部向錯網(wǎng)絡(luò )的群體動(dòng)力學(xué)形態(tài)變化。如果將膠體顆粒置于此遠離平衡態(tài)的系統中，隨著(zhù)光驅動(dòng)向錯線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的形變，膠體顆粒可以被靈活地撿起、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(guò)控制照射光的偏振方向，控制他們運輸的方向和方式，比如平移、以順時(shí)針?lè )较蚧蛘吣鏁r(shí)針?lè )较蛐D，從而實(shí)現了微米尺度膠體顆粒的可編程自組裝。
在此過(guò)程中，研究團隊還闡明了預設計的拓撲缺陷如何控制膠體顆粒在向錯線(xiàn)上的運動(dòng)機制，此機制由液晶局部預設計的展開(kāi)和彎曲形變的彈性特性來(lái)決定。因此，此光驅動(dòng)可編程膠體自組裝的物理機制在于，通過(guò)光照使納米尺度的分子機器進(jìn)行協(xié)同重組，利用分子機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(cháng)程有序的特性，引發(fā)表面宏觀(guān)尺度液晶分子取向的變化。此宏觀(guān)變化進(jìn)一步通過(guò)表面錨定驅動(dòng)樣品內部液晶微結構的變化，從而實(shí)現了宏觀(guān)尺度的向錯線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和膠體自組裝的重構。
圖1 光驅動(dòng)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）
