应用Moiré效应实现向列相液晶中拓扑缺陷结构的多样化设计

近年来，扭转电子学作为一个新兴领域备受关注。通过在固体材料晶格中将一层旋转到与其它层成特定角度，就能够产生称为Moiré图案或Moiré效应，从而形成新的周期性结构，进而产生新的物理现象。目前对Moiré图案的研究涵盖应变分析和计量技术、生物器件中的超分辨率成像，以及范德华异质结构中的应用，比如超导、自旋器件和拓扑绝缘体等。

香港科大张锐教授课题组与中科大彭晨晖教授团队联合开展研究，旨在将Moiré效应拓展到控制软物质材料的微观结构。团队以液晶系统为例，展示如何利用Moiré效应操纵拓扑缺陷的结构；这种方法被称为“液晶Moiré图案”。研究团队结合液晶理论、自由能模拟和实验研究了表面上不同周期锚定图案产生的Moiré效应，发现该效应可诱导生成多样化的、周期可调的缺陷结构，包括直线、螺旋状曲线、缺陷网络和环等形态。通过共焦显微镜实验，实验团队在液晶盒中成功观察到了这些新型结构的三维特征。这些拓扑结构的形状和表面锚定图案显著不同；这些结构的形态、方向和周期可以通过改变旋转角度和液晶盒的厚度来调节，并展现出各种低频和高频的几何Moiré模式，其光学图像区别于传统的Moiré图像。

图1：一维的向列相Moiré图案中的拓扑结构和三维网络胶体组装。

液晶Moiré图案不仅可以形成多样化的周期性缺陷结构，还可以引导胶体颗粒的自组装和成核。如图1所示，研究团队观察到胶体颗粒沿着缺陷线排列，并在缺陷网络中实现了三维自组装。实验团队还发现，当液晶Moiré图案中的缺陷环收缩时，这些胶体颗粒可以通过堵塞阻止自湮灭。此外，如图2所示，设计精美的液晶Moiré图案还可以生成像素化的形状，为新型图案设计、文件加密和防伪提供了新的可能。

图2：使用向列相Moiré图案对缺陷区域进行按需形状模拟设计

综上，通过设计液晶Moiré图案，研究团队实现了液晶系统中缺陷结构的精准调控，包括缺陷的形状、周期和取向。这种新型多功能性操纵方法为液晶及其他软材料系统中的拓扑、几何和有序性之间的相互作用的研究提供了新的平台，并促进了基于拓扑缺陷的应用的进一步发展。同时，液晶Moiré图案也为材料科学领域的微观结构的逆向设计提供了新的思路和方法。

此工作理论模拟部分由香港科大张锐教授课题组完成，实验部分由中科大彭晨晖教授团队完成。张锐教授和彭晨晖教授为本文共同通讯作者，香港科大王馨玉博士、中科大百人计划特任研究员蒋景华教授和孟菲斯大学陈娟博士为本文共同第一作者。

论文信息：

Moiré effect enables versatile design of topological defects in nematic liquid crystals

https://doi.org/10.1038/s41467-024-45529-z