2018年9月22日
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物理学院马余强教授课题组在手性光子晶体的自组装方面取得重要进展

最近,我校物理学院马余强教授课题组在手性光子晶体的自组装方面取得了重要进展, 最新研究成果以“Self-Assembled Chiral Photonic Crystals From Colloidal Helices Racemate” 为题发表在2018年6月11日的ACS Nano期刊上(DOI: 10.1021/acsnano.8b02116)。该工作与新加坡南洋理工大学化学与生物医学工程学院倪冉教授合作,通过理论计算和模拟证明两种相反手性的螺旋体自组装得到的密堆积结构可以实现手性光子晶体。南京大学是论文的第一单位;南京大学2016届博士生雷群利是论文的第一作者。

螺旋结构是最普遍也是最简单的手性构型之一,具有左手和右手之分(图1a)。作为一种新型的纳米微结构,螺旋结构已经在不同的尺度,利用各种不同的物理化学方法被制备出来。该工作首次证明平行的同种和异种手性硬螺旋之间体积排斥(几何堆积)相互作用具有类似自旋的性质(图 1b,c),因此可作为一种重要的经典多体体系模型来研究复杂胶体体系特别是光子晶体材料的自组装。

图1:(a)右手(R) 和左手(L) 螺旋结构, 其中r为螺旋半径, p为螺距。(b,c)螺旋间的最近接触距离和自旋角度,以及两螺旋间方位角的关系。

近年来,微纳尺寸的螺旋阵列被发现具有奇特的光学性质,可用于制备光子晶体,负折射率材料,以及光子拓扑绝缘体。然而目前螺旋晶体主要依赖3D打印等(top-down)的制备方法。大尺寸廉价的具有相位差螺旋晶体制备仍存在瓶颈。目前的工作基于作者提出的螺旋手性相互作用,实现了一种新的自下而上(bottom-up)自组装策略,即同等数量但手性相反的螺旋粒子所组成的外消旋液晶混合物在二维受限条件下进行自组装(图2a)。通过新改进的蒙特卡洛方法对体系进行动力学模拟,作者发现仅在纯粹的堆积熵驱动下,螺旋间特殊的手性相互作用就可以驱动体系自组装形成各种复杂和有序的密堆积结构(图2b)。其中包括手性相分离态,四角结晶/蜂窝状结晶/链状结晶/层状结晶的二元外消旋晶体(图2c-i)等。

图2:(a)自组装中的外消旋螺旋液晶层。(b)以r和p为变量的自组装相图。(c-i)各种自组装结构俯视图。

进一步,作者还系统地研究了自组装密堆积结构的光学行为,发现半四角和蜂窝状螺旋晶体都具有很宽的全光子带隙(图3a,b)。更为重要的是,他们还发现半四角晶体(图 3d)在不同的频率区间会同时具有两条手性相反的极化光带隙(polarization photonic band gaps)(图3e,f ),能选择性地允许/阻止单种手性的圆偏正光(左旋或者右旋)通过 (图c)。通过对能带进行偏振耦合分析,该工作还成功地解释了这种极化光子带隙产生的原因。这种奇特的光学性质可用于制备新型的量子逻辑门,进行以极化光子为量子比特的量子运算。

(科学技术处 摄影)

图3:(a)半四角晶体, (b) 半蜂窝状晶体的能带图。(c)左旋/右旋圆偏振光对半四角晶体(图 d)的光入射模拟。(e)测量得到的光穿透系数显示两条极化光带隙。(f)能带的偏正耦合分析与穿透系数一致。

近一年来,该课题组成员通过模拟与实验、理论与模拟不断寻求合作,在平衡和非平衡自组装机理方面取得了富有成效的合作成果, 包括与化学化工学院郑丽敏教授团队[Nat. Commun. 8, 2131(2017)],复旦大学高分子科学系陈国颂教授团队[Angew. Chem. Int. Chem.56, 10691 (2017)], 以及法国CEA高级科学家Hugues Chate教授 [Phys. Rev. Lett. 120, 258002 (2018)] 等合作取得了若干重要进展。

该项研究得到固体微结构物理国家重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心,以及国家自然科学基金等项目的资助, 在此表示感谢!

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b02116

(物理学院 科学技术处)