近期，南京大学现代工学院胡伟教授课题组在液晶畴及其拓扑缺陷阵列旋转对称性操控方面取得重要研究进展，相关成果以“Tailoring on rotational symmetry of liquid crystal domain lattices”为题发表于《先进物理研究》上。Adv. Physics Res. 2023, 2300127.

旋转对称性在自然界中普遍存在，例如：矿物晶体、花冠以及蜂巢阵列。嵌段共聚物、胶体、液晶等可自发组装形成具有不同旋转对称性的有序结构，这为旋转对称性的研究给予了一种有效途径。自组装过程通常是由熵驱动的，并伴随着受挫相、形变态及各种拓扑缺陷的出现。对组装机制及其动力学进行研究进而实现大面积有序结构的制备不断是软凝聚态物理学的研究前沿。在组装体系中，液晶因其丰富的相态与拓扑缺陷，以及优异的刺激响应特性而引起关注。

向列相液晶是具有一维长程取向序的各向异性流体，通常用指向矢来描述液晶分子的局部统计平均取向方向。在向列相液晶中，几何约束、相变和外场作用均会使得指向矢分布在空间发生变化，甚至中断，从而形成不同类型的拓扑缺陷。在基板表面进行机械摩擦或化学改性可预设液晶畴及定位拓扑缺陷；采用三维几何限制，如微通道、微柱等，可从几何上限制液晶分子形变，进一步增强液晶自组装的可控性；特殊电极设计也可用于操纵液晶织构的旋转对称性。顺利获得上述方法通常可形成具有C₄和C₆对称性的液晶畴和拓扑缺陷，而对旋转对称性的进一步突破则受到限制。光取向技术为操纵液晶畴与拓扑缺陷的旋转对称性给予了一种有效的方法，然而，液晶热运动及其流动性使得所取得的液晶织构经常会偏离预先设计。因此，亟需开发一种能对液晶畴及其拓扑缺陷的旋转对称性进行自由操控的有效手段，并对其诱导机制和动力学进行深入研究。

研究团队利用光配向技术预设具有不同旋转对称性的径向取向晶格奇点阵列（图1第一行），诱导操控液晶组装操控液晶畴和拓扑缺陷阵列的旋转对称性。当从各向同性态以−1 °C/min的降温速度冷却到向列相时，产生了向错线阵列织构（图1第二行）。借鉴前期工作 (Phys. Rev. Lett. 2023, 130, 078101; Phys. Rev. B. 2023, 108, 224107)发现的向列相-近晶相相变过程中液晶取向序的继承性，借助近晶相下焦锥畴结构向环面焦锥畴阵列的自发转化，升温后实现对向列相向错线的完全抑制，进而取得与预设取向旋转对称性严格一致的墙缺陷阵列。基于该方法，分别取得具有C₂、C₃、C₄和C₆对称性的液晶畴和墙缺陷阵列（图1第三行）。再次降温到近晶相，得到的环面焦锥畴阵列呈现相同旋转对称性（图1第四行）。

拓扑分析有助于瓦力棋牌瓦力理解旋转对称性对液晶序演变的影响。图2展现了向错线和墙缺陷两类向列相缺陷的拓扑分析结果。显然，旋转对称性的变化对向错线和墙缺陷的生成带来了影响。预设C₂（图2a，c）和C₄（图2g）取向对称性，两个-1/2缺陷出现在四个相邻单元的交界点。而对于C₃（图2e）和C₆（图2i）预设取向，在交界点处分别出现四个和一个-1/2缺陷。每个单元中的拓扑结构特征可用所含缺陷类型及个数加和描述，上述所有情况均可表示为{（−1/2~+1/2）×2}。升温转变为墙缺陷阵列后，矩形与正方形晶格可合并表示为{+1；−1/4×4；0×4}（图2b，h），这说明每个单元包含一个+1缺陷、四个-1/4缺陷和四个缺陷壁（蓝线）。菱形晶格为{+1；−1/6×2；−1/3×2；0×4}（图2d），三角形晶格为{+1；−1/3×3；0×3}（图2f），六边形晶格为{+1；−1/6×6；0×6}（图2j）。值得注意的是，对于两类向列相拓扑缺陷，所有单元中拓扑荷总数始终保持为零。

对C₂、C₃、C₄和C₆对称性液晶织构的墙缺陷阵列进行衍射表征的结果表明，其衍射图案呈现不同的周期性和旋转对称性，相应的衍射参数与预设的取向对称性一致（图3）。当样品再次冷却到近晶相后，衍射图案保持不变，验证了向列相-近晶相相变过程中液晶取向序的继承性。

研究团队进一步将该方法拓展至准周期液晶织构制备，如C₅对称性（图4）。当从各向同性状态冷却到向列相时，依然会出现向错线阵列，与周期性晶格不同的是，向错线阵列不再是单向排列（图4b）。无序向错线阵列的出现可归因于取向图案的复杂性。此时，即使在相变点附近进行反复多次的热循环，无序的向错线仍不能完全转变为墙缺陷。拓扑分析显示，±1/2缺陷的密度及其连接类型都会增加（图4c）。这意味着需要额外的能量来克服能量壁垒才能实现完美的墙缺陷阵列。团队发现借助施加应力产生应变增强近晶相位错的横向迁移，可促使向错线完全转变为墙缺陷。近晶相下反复按压液晶盒，较大的环面焦锥畴出现在五边形区域，较小的环面焦锥畴则出现在菱形间隙区域，共同构成具有C₅对称性的液晶织构。升温到向列相后，拓扑分析显示墙缺陷在五边形晶格中可以描述为{+1；−1/5×5；0×5}，在菱形晶格中可以描绘为{+1；−1/10×2；−2/5×2；0×4}（图4d），单元格中拓扑荷之和保持为零。衍射图案呈现十重旋转对称性，完美验证了所取得墙缺陷阵列的C₅对称性。

基于向列相-近晶相相变过程中取向序的继承性，顺利获得预设锚定图案的旋转对称性实现了液晶畴及拓扑缺陷阵列旋转对称性的操控，实际验证了具有C_i（i = 2~6）对称性的周期和准周期拓扑缺陷。利用拓扑分析揭示了旋转对称性对向错线和墙缺陷结构间液晶序演变的影响，探讨了不同旋转对称性的能量比对关系，及应力增强缺陷演变的动力学机制。该工作增强了对液晶自组装拓扑缺陷的可控性，加深了人们对组装有序体系及其结构演变的认识。

南京大学现代工学院21级博士生吴金兵为论文第一作者，胡伟教授为论文通讯作者。该研究受国家重点研发计划、自然科研基金重点项目和中央高校基本科研业务费资助完成。