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  近期南京大學現代工程與應用科學學院陸延青教授、胡偉副教授帶領團隊在操控近晶相液晶分子層焦錐疇超結構方面取得重要進展。該研究成果于2017年2月10日在線發表在《先進材料》上（“Smectic layer origami via preprogrammed photoalignment” Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma.201606671）。

  結構連結了微觀與宏觀世界，在材料體系中扮演著重要的角色。自然界眾多奇妙的現象，例如孔雀羽毛和蝶翼閃耀著的斑斕虹彩，荷葉“出淤泥而不染”的自潔能力，水黽的輕功水上漂，大多源自于生命體復雜而精致的多層級介觀超結構。正是這種微納尺度下有序結構的嵌套，在宏觀上給出了如此美麗而神奇的性質，并非常藝術范兒的為我們進行材料設計提供了源源不斷的靈感。

實現Fragmented-TFCDs多層級超結構的全結構要素控制。

  液晶分子的組裝行為可通過外場調諧控制，因此是一種性能優良的組裝單元。其中，近晶相液晶因其有序分子層的結構特點而備受關注。其棒狀分子分層排列，每一層內分子長軸相互平行且垂直或傾斜于層面。近晶相液晶涂敷薄膜因上下兩側表面能的不對稱，分子層會發生有序空間彎曲成為杜賓四次環面，進而形成規整的環面焦錐疇陣列（Toric focalconicdomains, TFCDs，圖1a）。近晶相液晶分子的組裝行為受液晶彈性和界面錨定特性的共同影響。人們通過膜厚調節，交叉摩擦和布置不同取向材料來控制TFCD的尺寸和排列；進一步在基板上引入微柱或微槽陣列，可以增強這種控制能力。然而，這種操控僅限于尺寸和排列兩類要素，所生成的疇也都是具有旋轉對稱性的TFCD。如果能夠像折紙術（Origami，一種通過彎曲和折疊二維紙張創造各種三維物件的藝術）一樣對近晶相液晶分子層的空間彎曲進行任意控制，那必將大大豐富近晶相液晶多層級介觀超結構的設計與制備。

  南京大學現代工程與應用科學學院胡偉、陸延青團隊創造性地將動態掩模光取向技術引入近晶相液晶超結構控制，將“自上而下”的圖案化取向與“自下而上”的液晶分子組裝相結合，證實了上述分子層“折紙術”的設想。首先，引入兩個相鄰±45°取向的區域，在各自區域內，缺陷線倒向取向方向，形成扇形的square FCDs（SFCDs）；但在邊界區域，相鄰的分子層連接形成半圓形疇（圖1b）。這是由于在兩側取向的方向上，液晶分子受取向劑表面錨泊力的影響，沿該方向排列，而另外一半由于與表面取向發生沖突而受到抑制，最終只生成半個TFCD（圖1c）。這打破了傳統TFCD的旋轉對稱性，進而引入了形狀和方向兩個全新的幾何維度。當引入周期交替的±45°取向時，可誘導出朝向完全相反的半環面焦錐疇陣列，由于要滿足與取向層方向吻合，兩種情形會錯開半個周期（圖1d）。當相鄰取向方向變為0°和90°時，半環面焦錐疇陣列的朝向變為±45°，由于此時取向對兩種情況均不違背，兩者出現在同一列中，由3/4 TFCD或垂面區連接（圖1e）。在6 μm到 16 μm的周期范圍內，疇的大小完全由預設的取向周期控制；當超過此范圍，同一周期內會產生新的SFCD；而小于此范圍，液晶層能接受到相鄰取向區的影響，造成缺陷線偏向平均取向方向，也形成類似SFCD的疇。當進一步引入二維棋盤格形狀的二元取向，并使相鄰區域的取向角度從±15°變化到±45°, 研究人員獲得了內角從100°到180°的不同Fragmented TFCDs（圖1f-h）。這說明近晶相液晶焦錐疇的任何幾何要素（大小、形狀、方向、傾角）都可以通過合理的預設取向方向和圖形來進行合理的控制；另外，由于每個疇的缺陷點精確坐落于取向邊界的交叉點上，這使得精確操控疇的位置排列成為可能。

圖2：Fragmented-TFCDs表現出與Meta-surface相似的偏振依賴的衍射特性。

  該類近晶相液晶焦錐疇打破了環面焦錐疇的旋轉對稱性，加上液晶材料自身的光學各向異性，呈現出了新穎的偏振依賴的不對稱衍射現象。對圖1h所示樣品進行衍射實驗，其衍射圖樣很好的反映了結構的對稱特點（圖2a-d）。隨著入射偏振旋轉，不同衍射級呈現出不同的變化規律（圖2e-h）。這源于該類液晶疇獨特的超結構。研究者對圖2a-d所對應的情形進行了分析：對圖2j所示情形，水平偏振對應著一組對稱的鋸齒形相位截面，所以在圖2a中，所有的衍射斑點是左右對稱的；而對于圖2k-l所示的幾種情形，對應的都是非對稱的鋸齒形相位截面，因而產生了類似閃耀光柵的衍射現象（圖2b-d）。

  該研究拓寬了人們對軟物質材料自組裝行為的認識，增強了人們設計構筑多層級超結構材料的能力，是軟物質材料和納米技術領域的一項重大突破。近晶相液晶焦錐疇全維度操控的實現，將有助于我們打造更多新穎的先進功能材料和器件：如超疏水智能表面、軟刻蝕模板、粒子捕獲與疏運材料、仿生復眼陣列、偏振成像探測器件等。

  本論文第一作者為南京大學現代工程與應用科學學院14級碩博連讀生馬玲玲，胡偉副教授、陸延青教授與蘇州大學遲力峰教授為共同通訊作者，南京大學現代工程與應用科學學院研究生唐明劼、葛士軍、陳鵬，蘇州大學崔澤群博士，廈門大學陳鷺劍副教授，南京工業大學錢皓博士亦對本文有重要貢獻。該研究由國家自然科學基金項目資助完成，同時感謝人工微結構科學與技術協同創新中心、學校十百千工程、江蘇省優勢學科建設工程等的支持。

  論文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/adma.201606671/abstract