Nature最新報道：液晶中的彈性膠體磁單極子及可重構自組裝

【引言】

類磁單極子靜電相互作用在生物學和凝聚態物質中是普遍存在的，但它們往往被反離子屏蔽，不能從吸引態轉變為排斥態。在膠體學中，主要目標是開發膠體粒子，模擬和超越原子和分子組裝的多樣性和長度尺度，帶靜電粒子不能改變其表面電荷的符號，也不能從單極轉變為高階多極。在液晶膠體中，粒子之間產生彈性相互作用，使得粒子周圍棒狀分子在長程排列中與彈性變形相關的自由能最小化。在偶極、四極和十六極性的向列型膠體中，這種彈性變形的對稱性既模擬了靜電多極子，也模擬了原子最外層的電子殼層。在這種膠體中，已經證明了電磁轉換、彈性多極子的自發轉換和光學控制，以及它們與拓撲缺陷和表面邊界條件的相互作用。然而，由于彈性磁單極子所產生的彈性力矩，長期以來人們一直認為彈性磁單極子應該松弛到均勻或高階的多極態。

【成果簡介】

今日，在科羅拉多大學博爾德分校Ivan I. Smalyukh教授（通訊作者）帶領下，開發了具有強彈性單極矩的向列型膠體，其彈性扭矩由環境光引起的光學扭矩平衡。團隊用非結構光演示了這些膠體粒子從單極到四極的重排，它類似于原子在基態和各種激發態之間的驅動。證明了彈性磁單極子的符號是可以被轉換的，并且與靜電學中不同，同性電荷的磁單極子相互吸引，而異性電荷的磁單極子相互排斥。還證明了這些膠體粒子的非平衡動態組裝。用一個模型來解釋這種行為，該模型考慮了激發態彈性磁單極子的光學扭矩和彈性扭矩的平衡，并可能產生光驅動的活性物質系統和自組裝納米機器。相關成果以題為“Elastic colloidal monopoles and reconfigurable self-assembly in liquid crystals”發表在了Nature上。

【圖文導讀】

圖1?相反電荷的彈性膠體磁單極子

圖2?彈性磁單極子之間的膠體相互作用

圖3?彈性磁單極子相互作用的符號和強度的光交換

圖4?非衡膠體的組裝

文獻鏈接：Elastic colloidal monopoles and reconfigurable self-assembly in liquid crystals（Nature，2019，DOI:10.1038/s41586-019-1247-7）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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