江雷院士、王京霞教授JACS：实现蓝相液晶微结构精准操控

蓝相液晶（BPLC）因其独特的三维螺旋超结构和优异的光学性能，在集成光子学、激光显示和光学加密等领域展现出巨大潜力。然而，如何实现高分辨率、单畴结构的BPLC微腔阵列的精确制备与相态调控，一直是制约其实际应用的关键难题。当前BPLC微图案化技术往往难以兼顾分辨率与质量，且缺乏对相态行为的精准控制，限制了其在先进光学系统中的集成与应用。

近日，中国科学院理化技术研究所江雷院士、王京霞教授和岳钰琛博士团队提出了一种创新的“软限制组装”策略，成功实现了单畴蓝色相液晶微腔阵列的高精度图案化制备。该方法通过设计具有可控曲率的微槽结构，有效调控了BPLC的成核动力学与相变行为，首次实现了从BPII到BPI的精准相态控制，并以此为基础构建了四模态光学加密系统，为光子通信与激光显示等领域提供了新的技术思路。相关论文以“Curvature-Dependent Phase Manipulation of Monodomain Three-Dimensional Helical Superstructures from Soft Confined Assembly”为题，发表在

JACS

研究团队首先通过软模板法制备了具有精确微槽结构的PDMS模板，将BPLC混合物在高于清亮点温度下填入微槽中。随着系统冷却，BPII晶核在微槽内优先成核并沿槽向定向生长（图1a）。在此过程中，手性分子驱动液晶分子形成双扭曲圆柱体，交联剂填充缺陷并稳定BPLC结构，最终实现从简单立方结构的BPII到体心立方结构的BPI的均匀转变（图1a₃）。该方法适用于可聚合与非聚合体系，制备出的BPLC微腔阵列宽度仅为2微米，分辨率高达1270 ppi（图1c-d）。通过反射光谱与Kossel衍射等手段证实，所得阵列为高度有序的单畴BPI结构，光学质量优异（图1e-g）。

图1：高分辨率单畴BPLC微腔阵列的制备与表征。（a）BPLC微腔阵列的制备流程示意图；（b）含BPLC微腔阵列的柔性薄膜照片；（c）偏光显微镜图像显示均匀分布的BPI阵列；（d）扫描电镜图像显示微腔宽度约为2微米；（e）聚合前后BPLC的光子带隙反射峰位置对比；（f）Kossel衍射图显示BPI沿（110）方向的典型菱形图案；（g）同步小角X射线散射图案显示有序的BPLC结构。

为深入理解BPLC在软限制环境下的组装机制，研究人员利用原位偏光显微镜、反射光谱和透射电镜实时观测了微槽内BPII的定向生长与相变过程（图2）。结果显示，BPLC优先在微槽的特定位置成核，随后沿槽向延伸；随着温度降低，BPII逐渐转变为BPI，反射峰从447 nm迁移至513 nm（图2c）。通过系统优化表面浸润性、冷却速率和微槽尺寸等参数，可获得缺陷极少、排列高度一致的单畴BPLC阵列（图2e-f）。尤其值得注意的是，微槽宽度对BPLC的相变温度具有显著影响，宽度越小，相变温度越高，且BPLC的稳定温区变窄，说明几何限制增强了BPLC的组装难度与可控性（图2f）。

图2：通过SCA策略对单畴BPLC的原位观测与优化。（a-b）BPLC阵列的示意图与原位偏光显微镜图像；（c）从各向同性态到BPII再到BPI的原位反射光谱；（d）BPLC相变过程的透射电镜图像；（e）通过调控表面浸润性、冷却速率和几何尺寸优化BPLC阵列；（f）微槽宽度与BPLC相变温度的关系。

在成功制备高质量微腔阵列的基础上，团队进一步展示了其在激光发射方面的优异性能。通过调节手性掺杂浓度，可精确调控光子带隙在450–650 nm范围内连续变化，并与不同荧光染料（如Coumarin-500、Coumarin-6和DCM）的发射峰匹配，实现高效光放大（图3a-b）。在脉冲激光激发下，微腔阵列表现出低阈值（最低128 μJ/cm²）、窄线宽（＜0.1 nm）和高品质因数（Q因子达1.3×10⁴）的激光输出（图3c-d），显著优于传统胆甾相液晶激光器，展现出优越的光学限域与反馈能力。

图3：BPLC微腔阵列的激光性能。（a）不同几何形状与带隙的BPLC微腔阵列荧光显微镜图像；（b）调谐光子带隙与荧光染料发射峰匹配的反射与发射光谱；（c）不同泵浦能量下的激光发射光谱；（d）不同颜色激光的阈值与输入-输出曲线。

研究中最引人注目的发现是微槽曲率对BPLC相态行为的调控作用。如图4所示，在相同温度下，曲率较大的微槽（如字符“C”“P”）中BPLC更快完成从BPII到BPI的相变，而直槽（如“T”“I”）中相变进程显著滞后。这一现象可通过经典成核理论解释：曲率表面降低了达到临界成核尺寸所需的表面自由能，从而显著降低整体成核势垒（图4b-c）。通过设计不同曲率的微槽结构，可实现BPLC相态在空间上的程序化分布（图4d），为动态光学调控提供了新手段。

图4：不同曲率BPLC微腔的成核势垒控制。（a）BPLC在“TIPC”图案中的偏光显微镜图像；（b）曲槽与直槽中BPLC相变过程示意图；（c）曲率对成核势垒的影响机制；（d）不同曲率微槽中BPLC的定向生长顺序。

基于上述曲率依赖的相态控制，研究团队成功构建了一种集几何形状、相态结构、结构色与激光信号于一体的四模态光学加密系统（图5）。在加密状态下，通过高温控制，仅部分区域呈现BPII蓝色结构色，其余区域保持暗态；降温解密后，不同区域分别转变为BPI绿色或保持BPII蓝色，同时伴随不同的激光发射行为，形成多重防伪与信息保护机制。该加密系统具有高安全性、独特性和可重构性，为光学信息加密与安全传输提供了全新解决方案。

图5：集成相态、结构色、几何形状与激光信号的四模态光学加密。（a）基于不同相态的“TIPC”信息加密模型；（b）加密与解密状态的偏光显微镜图像；（c）基于不同激光信号的加密模型；（d）加密与解密状态下的激光发射信号。

该研究不仅建立了一种高效、高分辨率的单畴BPLC微腔阵列制备方法，还首次揭示了曲率对BPLC成核与相变的调控机制，实现了从材料制备到功能集成的跨越。通过四模态光学加密系统的成功演示，展现了BPLC在先进光子器件、激光显示与信息安全领域的广阔应用前景。此项工作为下一代集成光学系统的发展奠定了坚实基础，也为软物质螺旋超结构的可控组装提供了新范式。