Nat. Commun./吉林大學：啞鈴狀膠體的液晶行為和手性藍相的觀察

一、【導讀】

液晶 (LCs)是一種具有液體狀流動性和晶體狀有序性的物質狀態，在自然界和我們的日常生活中無處不在。藍相 (BP) LC是最迷人的手性LC之一，可用于快速光調制器或可調諧光子晶體。盡管該領域取得了合理的進展，但在 BP 的應用中仍存在一些障礙：(i) BP僅存在于非常窄的溫度范圍內（通常小于幾開爾文）；(ii)只有少數手性結構單元可以形成BP，以及 (iii) BP手性的分子起源仍不清楚。

膠體液晶是一類新興的軟材料，它自然地結合了液晶分子和膠體粒子的獨特特性。與分子LC相比，膠體基LC材料具有熱穩定性、價格低廉且對外部場（包括剪切場、電場和磁場）具有更高的敏感性，這使得它們在廣泛的應用中具有吸引力。啞鈴形膠體 (DBC) 的特點是在球形尖端之間具有獨特的凹腔和獨特的堆積行為，使其成為功能性光學材料的構建塊。由DBC形成的膠體LC將能夠在單粒子水平上可視化具有扭曲/雙扭曲結構的手性/BP，從而為手性如何從非手性構建塊中產生提供新的見解。然而，迄今為止，尚未通過實驗探索 DBC的凹面幾何形狀決定其LC相行為的方式。

二、【成果掠影】

近日，來自吉林大學化學學院的楊揚、呂中元以及復旦大學高分子系的聶志鴻等人證明了非手性啞鈴形膠體可以組裝成多種特征液晶相，包括具有鎖定結構的向列相、近晶相，特別是雙扭曲手性柱對藍相III的實驗觀察。實驗和模擬的相圖表明，不同液晶相的存在和穩定區域強烈依賴于啞鈴形膠體的幾何參數。這項工作為光子應用藍相的設計和構建開辟了一條新途徑。相關研究成果以“Liquid-crystalline behavior on dumbbell-shaped colloids and the observation of chiral blue phases”為題發表在Nature Communications期刊上。

三、【核心創新點】

對二氧化硅啞鈴狀膠體的LC相行為進行了系統研究，為啞鈴形物體的相位行為以及用于光子應用的BP LC材料的制造提供了基本的見解。

四、【數據概覽】

圖一：由 DBC 組裝的四種典型 LC相的示意圖。 DBC的幾何參數示意圖和相應的組裝BP III、N2、N1和SmA相。 D_e和 D_c分別是端塊和中心塊的直徑。L_e和L_c分別是末端塊和中心塊的長度。R_L是末端塊與中心塊的長度之比。t₁和 t₂分別是手性柱的長軸和桶狀手性扭曲的層法線。1/2P是半螺距。?2022 The Authors

圖二：具有不同幾何形狀的DBC的LC相。代表性：低 (a, e, i, m) 和高 (b, f, j, n) 放大 SEM 圖像，c, g, k, o 共聚焦顯微鏡圖像，以及由不同 DBC 組裝而成的LC相的POM 圖像（d, h, l, p）：a-d BP III相由L_e= 160 nm，L_c= 1660 nm，D_e =315 nm，D_c =240 nm 的DBC組裝而成，e-h N2相由L_e= 400 nm、L_c=715 nm、D_e=280 nm、D_c=190 nm 的DBC組裝而成，i-l N1 相由L_e=515 nm、L_c= 520 nm、D_e=235 nm、D_c=155 nm的DBC組裝而成, m–p SmA 相由L_e=900 nm、L_c=700 nm、D_e=245 nm、D_c=225 nm的DBC組裝而成。?2022 The Authors

圖三：基于實驗結果的DBC的幾何形狀和LC相位之間的相關性。a 作為R_D和R_L函數的DBCs的實驗相圖。實線符號代表圖 2 中的數據點。黑色點劃線表示相之間的表面邊界。紅線分別對應于R_L=0.5和R_L=1.0。它們大致位于相應相的中心，即N2和N1相。b 螺距P作為L_c/D_e的函數。P是通過對每個樣本計數100列獲得的。誤差條表示基于100列的標準偏差。?2022 The Authors

圖四：在布朗動力學模擬中觀察到的 LC 相。由DBC組裝的LC相的模擬結果：a 在BP III階段R_D=1.40和R_L=0.15（右：從左側提取的雙絞柱），b 在 N2 階段R_D=1.40和R_L=0.50（右：典型局部結構的側視圖和底視圖），c 在N1階段R_D=1.40和R_L=1.00（右：沿 z 軸選取的圓柱體），d在 SmA 階段R_D=1.40和R_L=1.80（右：沿 z 軸選取的圓柱體）。e 從不同方向看的雙絞結構。?2022 The Authors

圖五：基于仿真結果的相圖。 DBC的計算相圖作為R_D和R_L的函數。邊界虛線取自實驗相圖。?2022 The Authors

五、【成果展示】

本文系統地研究了啞鈴形分子的膠體類似物，即所謂的DBCs的相行為。實驗和模擬結果均證實R_D和R_L對于細觀有序相的形成至關重要。實驗結果表明，R_D為1.0-1.8和 R_L為0.1-1.8 的DBC可以組裝成各種LC相，包括BP III、N2、N1和SmA相。發現相變的階段和開始強烈依賴于DBC的R_D和R_L。值得注意的是，具有外消旋混合物的雙絞手性超結構，即BP III，可以由R_D>1.1和R_L<0.45范圍內的剛性非手性膠體產生。布朗動力學模擬用于進一步建立 DBC的幾何形狀和相形成之間的相關性。仿真結果與實驗數據吻合較好，為今后復雜介晶系統的設計提供了理論依據。此外，實驗表明膠體 LC 相可以通過控制DBC與磁場的方向來動態調整。這項工作提供了對不同形狀粒子設計所需規則的見解，以實現具有更高復雜性和所需刺激響應電子和光子特性的超結構。

原文詳情：Liquid-crystalline behavior on dumbbell-shaped colloids and the observation of chiral blue phases. Nat. Commun., https://doi.org/10.1038/s41467-022-33125-y.