中国科学技术大学发现液晶中斯格明子拓扑形态转变促进胶体自组装的新途径

在材料科学的前沿领域，中国科学技术大学的研究团队取得了突破性进展，揭示了一种利用液晶内部斯格明子拓扑结构的动态转换来驱动胶体粒子自组装的新机制。斯格明子，这种独特的拓扑缺陷，如同微小的磁性漩涡，其在液晶介质中的行为一直是科研热点。研究者巧妙地利用了斯格明子的这一特性，通过精确控制其形态的转变，诱导胶体粒子按照预设模式进行排列，从而开启了自组装技术的新篇章。这一发现不仅深化了我们对拓扑物理学的理解，也为开发新型功能材料、提高纳米技术和软物质工程的精度与复杂度提供了革命性的方法。这项工作展示了基础科学研究如何转化为创新技术应用，为材料设计和制造领域带来了新的启示。

该团队利用光场驱动，在非平衡态下，实现了斯格明子及其分数态（半斯格明子、半双半子）间的结构转换。实验中，带有拓扑缺陷的胶体颗粒在转换过程中展现出动态的自组装特性，类似于“舞蹈”。这一发现为利用凝聚态材料中非平衡态斯格明子操控胶体颗粒提供了新途径。

斯格明子，一种具有拓扑保护的三维孤子，在多种物理系统中受到广泛关注，其潜在应用包括下一代数据存储等。研究团队前期工作已在液晶体系中实现了光驱动下三维拓扑结构的转换及操控。

本研究中，团队发现当两种不兼容的拓扑模式间距超过阈值时，会形成一种具有周期性结构的三维半斯格明子。这种半斯格明子具有四种不同的拓扑结构。光驱动下，斯格明子拓扑结构会按特定顺序转换。处于斯格明子中的胶体颗粒表现出胶体偶极子特性，其自组装结构会随着斯格明子拓扑结构的转变而发生可控变化，呈现出kink、coil和旋转等形态。此外，团队还制备了环状斯格明子，并观察到胶体颗粒在其收缩和扩张过程中的运动。最终，团队成功制备了具有特定形状（例如“HKUSTC”字样）的斯格明子结构，并观测到相应的胶体自组装结构。

这项研究精确控制了斯格明子的结构和运动，并利用其操控胶体颗粒的自组装和传输，为凝聚态物理和智能胶体复合材料研究提供了新的方向。

图1.胶体颗粒在不同拓扑结构的斯格明子中呈现出不同的自组装结构