2017年11月18日
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陆延青教授、胡伟副教授团队在光控软物质畴工程领域取得新进展

我校现代工学院陆延青教授、胡伟副教授团队与国内外研究机构合作,将液晶光配向技术用于诱导软物质有序生长,实现了蓝相软晶格指向的有序性、微域化和图案化。相关研究成果于11月8日发表在《先进材料》上(Adv. Mater. 2017, 29, 1703165.),并被选作封面论文。

物质结构的有序性诠释了自然界的神奇与和谐,蝴蝶翅膀绚丽的结构色、DNA双螺旋等呈现给我们一个五彩斑斓的世界,同时也激发了科学家们的好奇心和探索欲望。晶体是这种微观秩序的典型代表,其展现出对量子(电子、光子等)传输、自旋和布居等行为的操控,被广泛地应用于电子学和光子学领域。有序性会直接影响晶体材料对量子的操控,因而实现晶格的有序排列至关重要。常规的晶体生长技术包括熔体生长法、溶液生长法、气相生长法和外延法。随着微纳科学的发展,控制实现晶面指向的微域化以及形成有序-无序交替的周期或准周期微图案化晶格排列因其蕴含着丰富的物理内涵和应用潜力而引起人们的关注。

液晶是一类典型的具有自组装行为的软物质材料,其分子排列长程有序,呈现多元化(力、热、光、电、磁等)的外场响应特性。当引入强手性作用时,在特定温度下,液晶分子呈现奇异的双螺旋排列,并自组装形成立方晶格而生成蓝相。蓝相晶格尺度与光波长可比拟,呈现出针对特定频率范围的光子局域特性,是一种自组装软光子晶体。与其它晶体类似,蓝相液晶由熵变主导其晶格生长,晶格指向通常无序,因而降低了其光学效率。如果能够控制该软晶格指向,并实现晶格排列的有序性、微域化、图案化,将带来巨大的科学研究价值和工程应用意义。

图1. 光控软物质畴工程:蓝相软晶格指向的有序性、微域化和图案化

该团队采用原创的动态掩膜光配向技术控制锚定条件实现晶格指向的有序,并据此实现了周期方格、同心圆环、叉形光栅以及数字图形等任意微晶图案的制备。利用Kӧssel衍射对比了取向与非取向区域的晶格指向有序性差异:在取向区域衍射图案呈现规则的圆环;非取向区域则呈现模糊的多曲线叠加,直观的证明了取向控制对晶格排列有序性的影响。蓝相的有序取向区与无序区域对特定频率光的反射率差异显著,可用于振幅调制的衍射元件制备。与其它晶体相比,该软晶格呈现出弱电调控的特性。电场作用将导致晶格结构畸变,反射波长红移,电场撤去后,反射波长回归初始位置。另一方面,得益于光取向材料的可擦写性,蓝相微晶图形可反复擦写,在可实时重构光子学领域具有重要意义。

图2. 光控软物质畴工程系列工作:从胆甾相、近晶A相到蓝相

以液晶材料为代表的光控畴工程是软物质领域的新生热点,我院在该领域做出了引领性的工作,近两年已在AM系列发表了三篇封面文章,从胆甾相、近晶A相到蓝相做了系统的研究工作,并基于此类人工微晶畴进行了偏振成像、粒子操控、腔模激射等方面的应用探索,有望产生一系列新的突破。

华东理工大学郑致刚教授、袁从龙同学和我校胡伟副教授为本文并列一作,我校陆延青教授、俄亥俄州立大学李国强教授和肯特州立大学李全教授(我校兼职教授)为共同通讯联系人。我校研究生唐明劼同学、华东理工大学沈冬教授、中科院物理所叶方富研究员对本文亦有重要贡献。该研究由国家重点研发计划、自然科学基金、上海市青年科技启明星等项目的资助。

(现代工程与应用科学学院 科学技术处)