精确操控胆甾相液晶螺旋轴走向

我们与厦门大学合作，利用光取向技术实现了对胆甾相液晶螺旋轴走向的控制。该研究成果于2015年12月14日发表在《先进光学材料》上，并被选为当期封面。("Rationally designed dynamic superstructures enabled by photo-aligning cholesteric liquid crystals" Adv. Optical Mater. 2015, 3(12), 1691–1696.)

从星系、藤蔓到DNA，螺旋结构普遍存在。胆甾相液晶(Cholesteric liquid crystals，CLC)因自身具有手性或手性分子的掺入，其自组装体也显现出螺旋结构。因液晶具有光学各向异性，沿着螺旋轴方向折射率呈周期性变化。当螺旋轴在液晶盒内平躺时，在偏光显微镜下将呈现出经典的指纹织构(Fingerprint texture)。它作为一种周期可调的光子晶体，在光束控制和光谱分析等领域具有广阔的应用前景。然而，指纹织构通常是通过绒布摩擦等机械方法进行控制，均匀性差、缺陷较多，更无法实现螺旋轴指向的任意操控，这大大限制了其实际应用。与摩擦取向相比，光取向作为一种非接触式的配向技术则完全避免了静电、颗粒和机械损伤，适用于大面积、高精度、图形化的取向控制，并可有效调控预倾角和锚定能等参数，这为CLC的精确甚至任意操控打开了一扇大门。

左：封面；右：a）角向取向平面态胆甾相液晶分子排列示意图和c）偏光显微织构图；b）电压（2.4 V，1 kHz）诱导螺旋轴面内排列示意图和d）偏光显微镜下的阿基米德螺旋型条纹织构。

基于上述认识，我们与厦大一拍即合，利用彼此在光配向技术和CLC研究方面的优势，合作对该课题进行了探索攻关。通过开创性地将光取向技术应用于CLC指纹织构控制，使得原本均匀一维条纹织构都难以控制的指纹织构出现了可喜的变化。利用光取向技术我们实现了整个液晶盒内大面积均匀的光栅制备，偏光显微镜观察和衍射实验表明，光栅品质较比传统摩擦取向方法有了质的提升。进一步的，我们在取向结构上引入变化，并惊喜地发现CLC螺旋轴受到取向层诱导发生了走向的变化，这为精确操控CLC螺旋轴走向提供了可能。我们利用角向取向的结构，在电压诱导下获得了阿基米德螺线形的条纹织构，并对其生长和消退的动态过程进行了追踪。为进一步研究螺旋轴走向操控背后的规律，我们详细研究了取向方向和螺旋轴指向的关系，并系统考察了二畴情况下取向角及相错线对螺旋轴指向的影响。基于对规律的认识和掌握，我们利用边界限制结合取向控制获得了不同边界形状的阿基米德螺线，螺线自适应填充满整个取向区域。我们还制备了波浪形光栅织构。上述规律的探索使得CLC螺旋超结构的更为复杂的甚至任意的操控成为可能。

该研究为液晶分子螺旋形超结构的研究打下了基础，同时，也为软物质超结构材料的可控生长提供了全新的思路。大面积高品质光栅的制备和CLC螺旋轴走向的前所未有的精确控制的实现，有希望为先进光学元件的设计开发开辟了一条全新的途径。

本论文第一作者为南京大学2014级硕博连读生马玲玲同学，南京大学胡伟副教授和厦门大学陈鹭剑副教授为共同通信作者。本研究得到了国家自然科学基金、教育部博士点基金、固体微结构物理国家重点实验室开放课题及高等学校基本科研业务费的支持。