中国科学技术大学物理系彭晨晖教授团队在光控活性物质拓扑结构转换方面取得重要进展。近十年来，活性软物质的研究逐渐成为软凝聚态物理的研究前沿。而如何解析诸如拓扑缺陷、孤子和涡旋等拓扑结构是理解处于非平衡态的活性软物质的关键所在。由于活性软物质具有内在的非平衡态属性及复杂的三维结构，对于其拓扑结构的研究一直都是挑战与机遇并存。中科大彭晨晖教授团队和香港科大张锐教授团队合作以各向异性的液晶材料为研究对象，利用光学构型的方法制备了可编程控制的三维拓扑结构。此项工作以“Active transformations of topological structures in light-driven nematic disclination networks.”为题发表于美国科学院院刊PNAS 119, e2122226119 (2022)。
液晶是一类分子取向长程有序的材料。液晶分子可以自组装成一定的结构，在显示、感应、光子器件等领域有广泛应用。研究团队首先控制液晶自组装结构制备了二维拓扑缺陷，然后令此二维拓扑图案与沿特定方向的液晶分子结合，利用此两种构型之间的不兼容，制备了处于平衡态的三维拓扑结构。而后利用光照驱动液晶分子使其处于非平衡态，并成为具备活性的软物质系统，从而实现三维拓扑结构之间的相互转换。由于在整个过程中，形成三维拓扑结构的二维拓扑图案是可预设计的，研究团队实现了以编程方式控制不同三维拓扑结构之间的转换，如图1所示。研究人员将生物分子置于此三维拓扑结构中，生物分子就会在拓扑缺陷阵列处完成自组装，如图1所示，此过程无需任何外力或外加场。此三维拓扑缺陷阵列完全由光学构型决定，且可以用光场对其进行复写。可复写的三维拓扑缺陷会被光场引导产生不同的取向，位置以及几何图案。此可编程的三维拓扑结构又可诱导其上的生物分子自组装随其变化，从而实现光控可编程生物分子自组装功能。
图1.通过控制液晶构型形成的三维拓扑结构
这项工作首次制备了处在非平衡状态下的软物质三维拓扑结构，并利用光照实现了三维拓扑结构之间以可编程的方式进行相互转换。这项基础研究将有助于我们理解活性软物质中的三维拓扑结构，且此工作中使用的通过控制分子自组装来对拓扑结构进行的编程对将来实现可编程的生物分子自组装，以及智能活性材料等研究提供广阔的空间。
中科大彭晨晖教授和张锐教授为本文共同通讯作者，中科大特任研究员蒋景华博士，孟菲斯大学Kamal Ranabhat和香港科大王馨玉博士为本文共同一作。
论文信息：
Active transformations of topological structures in light-driven nematic disclination networks
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2122226119