Nat. Commun./吉林大学：哑铃状胶体的液晶行为和手性蓝相的观察

一、【导读】

液晶 (LCs)是一种具有液体状流动性和晶体状有序性的物质状态，在自然界和我们的日常生活中无处不在。蓝相 (BP) LC是最迷人的手性LC之一，可用于快速光调制器或可调谐光子晶体。尽管该领域取得了合理的进展，但在 BP 的应用中仍存在一些障碍：(i) BP仅存在于非常窄的温度范围内（通常小于几开尔文）；(ii)只有少数手性结构单元可以形成BP，以及 (iii) BP手性的分子起源仍不清楚。

胶体液晶是一类新兴的软材料，它自然地结合了液晶分子和胶体粒子的独特特性。与分子LC相比，胶体基LC材料具有热稳定性、价格低廉且对外部场（包括剪切场、电场和磁场）具有更高的敏感性，这使得它们在广泛的应用中具有吸引力。哑铃形胶体 (DBC) 的特点是在球形尖端之间具有独特的凹腔和独特的堆积行为，使其成为功能性光学材料的构建块。由DBC形成的胶体LC将能够在单粒子水平上可视化具有扭曲/双扭曲结构的手性/BP，从而为手性如何从非手性构建块中产生提供新的见解。然而，迄今为止，尚未通过实验探索 DBC的凹面几何形状决定其LC相行为的方式。

二、【成果掠影】

近日，来自吉林大学化学学院的杨扬、吕中元以及复旦大学高分子系的聂志鸿等人证明了非手性哑铃形胶体可以组装成多种特征液晶相，包括具有锁定结构的向列相、近晶相，特别是双扭曲手性柱对蓝相III的实验观察。实验和模拟的相图表明，不同液晶相的存在和稳定区域强烈依赖于哑铃形胶体的几何参数。这项工作为光子应用蓝相的设计和构建开辟了一条新途径。相关研究成果以“Liquid-crystalline behavior on dumbbell-shaped colloids and the observation of chiral blue phases”为题发表在Nature Communications期刊上。

三、【核心创新点】

对二氧化硅哑铃状胶体的LC相行为进行了系统研究，为哑铃形物体的相位行为以及用于光子应用的BP LC材料的制造提供了基本的见解。

四、【数据概览】

图一：由 DBC 组装的四种典型 LC相的示意图。 DBC的几何参数示意图和相应的组装BP III、N2、N1和SmA相。 D_e和 D_c分别是端块和中心块的直径。L_e和L_c分别是末端块和中心块的长度。R_L是末端块与中心块的长度之比。t₁和 t₂分别是手性柱的长轴和桶状手性扭曲的层法线。1/2P是半螺距。©2022 The Authors

图二：具有不同几何形状的DBC的LC相。代表性：低 (a, e, i, m) 和高 (b, f, j, n) 放大 SEM 图像，c, g, k, o 共聚焦显微镜图像，以及由不同 DBC 组装而成的LC相的POM 图像（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组装而成，e-h N2相由L_e= 400 nm、L_c=715 nm、D_e=280 nm、D_c=190 nm 的DBC组装而成，i-l N1 相由L_e=515 nm、L_c= 520 nm、D_e=235 nm、D_c=155 nm的DBC组装而成, m–p SmA 相由L_e=900 nm、L_c=700 nm、D_e=245 nm、D_c=225 nm的DBC组装而成。©2022 The Authors

图三：基于实验结果的DBC的几何形状和LC相位之间的相关性。a 作为R_D和R_L函数的DBCs的实验相图。实线符号代表图 2 中的数据点。黑色点划线表示相之间的表面边界。红线分别对应于R_L=0.5和R_L=1.0。它们大致位于相应相的中心，即N2和N1相。b 螺距P作为L_c/D_e的函数。P是通过对每个样本计数100列获得的。误差条表示基于100列的标准偏差。©2022 The Authors

图四：在布朗动力学模拟中观察到的 LC 相。由DBC组装的LC相的模拟结果：a 在BP III阶段R_D=1.40和R_L=0.15（右：从左侧提取的双绞柱），b 在 N2 阶段R_D=1.40和R_L=0.50（右：典型局部结构的侧视图和底视图），c 在N1阶段R_D=1.40和R_L=1.00（右：沿 z 轴选取的圆柱体），d在 SmA 阶段R_D=1.40和R_L=1.80（右：沿 z 轴选取的圆柱体）。e 从不同方向看的双绞结构。©2022 The Authors

图五：基于仿真结果的相图。 DBC的计算相图作为R_D和R_L的函数。边界虚线取自实验相图。©2022 The Authors

五、【成果展示】

本文系统地研究了哑铃形分子的胶体类似物，即所谓的DBCs的相行为。实验和模拟结果均证实R_D和R_L对于细观有序相的形成至关重要。实验结果表明，R_D为1.0-1.8和 R_L为0.1-1.8 的DBC可以组装成各种LC相，包括BP III、N2、N1和SmA相。发现相变的阶段和开始强烈依赖于DBC的R_D和R_L。值得注意的是，具有外消旋混合物的双绞手性超结构，即BP III，可以由R_D>1.1和R_L<0.45范围内的刚性非手性胶体产生。布朗动力学模拟用于进一步建立 DBC的几何形状和相形成之间的相关性。仿真结果与实验数据吻合较好，为今后复杂介晶系统的设计提供了理论依据。此外，实验表明胶体 LC 相可以通过控制DBC与磁场的方向来动态调整。这项工作提供了对不同形状粒子设计所需规则的见解，以实现具有更高复杂性和所需刺激响应电子和光子特性的超结构。

原文详情：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.