新聞網訊 近日，武漢光電(diàn)國家(jiā)研究中心熊偉教授團隊提出了一種新穎的分子三維組裝方法。相關研究成果以“3D Directional Assembly of Liquid Crystal Molecules”為(wèi)題發表在Advanced Materials上(shàng)。通(tōng)過規劃飛秒(miǎo)激光焦點掃描路徑控制(zhì)各項異性分子的定向排布，研究團隊實現了液晶分子高(gāo)精度和(hé)高(gāo)自由度的三維定向組裝。該研究不僅可(kě)用于液晶型光電(diàn)功能器(qì)件的三維高(gāo)精度組裝制(zhì)造，同時(shí)也為(wèi)其他各向異性分子的三維高(gāo)自由度高(gāo)定向組裝提供了新的思路。

分子自組裝是指無序的分子在分子間(jiān)相互作(zuò)用下形成有序結構的一種技(jì)術(shù)，被認為(wèi)是最有潛力的“自下而上(shàng)”納米技(jì)術(shù)之一。該技(jì)術(shù)能夠充分發揮各向異性分子基團的光、電(diàn)、磁、熱、機械等特性，從而滿足信息、生(shēng)命、電(diàn)子、材料等領域的應用需求。然而，分子間(jiān)的弱相互作(zuò)用往往難以實現應用中所需的強各向異性，限制(zhì)了高(gāo)性能各項異性分子器(qì)件的發展。目前，國際上(shàng)已報道(dào)的分子定向組裝多(duō)為(wèi)單軸有序排布，各向異性分子也僅能按照晶格或堆疊的有序排列，如何攻克高(gāo)精度、可(kě)編程、高(gāo)自由度的三維分子組裝一直是當前的一項國際難題。

針對這一挑戰，熊偉團隊以典型的各向異性液晶分子為(wèi)例，利用飛秒(miǎo)激光直寫技(jì)術(shù)，編程規劃激光焦點的掃描路徑，實現了液晶分子的高(gāo)自由度三維定向組裝，通(tōng)過控制(zhì)激光掃描方向即可(kě)定制(zhì)分子組裝方向。這一方法無需對液晶分子進行(xíng)預先取向處理(lǐ)，首次在三維分子組裝領域将光場(chǎng)用于分子取向與聚合過程，實現了單步高(gāo)精度高(gāo)定向的分子組裝，如圖1所示。

圖1.液晶分子的三維定向組裝示意圖與實物圖

通(tōng)過在加工系統上(shàng)搭建實時(shí)偏振觀察模塊并結合理(lǐ)論推導計(jì)算(suàn)，研究團隊深入探討(tǎo)了飛秒(miǎo)激光定向組裝液晶分子的物理(lǐ)機制(zhì)。研究表明(míng)，在飛秒(miǎo)激光掃描成形過程中會(huì)産生(shēng)顯著的激光誘導剪切力效應，液晶分子沿激光掃描方向形成取向種子層。在随後的顯影(yǐng)過程中，由于各向異性的體(tǐ)積收縮，聚合物主鏈沿激光掃描路徑定向排列，從而進一步強化規範了液晶分子的定向排布，如圖2所示。

圖2. 實時(shí)偏振觀察裝置與液晶分子的飛秒(miǎo)激光組裝原理(lǐ)

該研究充分發揮了飛秒(miǎo)激光加工的可(kě)編程優勢，通(tōng)過激光掃描路徑規劃可(kě)實現不同偏振幹涉色的微納結構，成功制(zhì)造出具有偏振選擇和(hé)彩色成像功能的菲涅爾波帶片陣列，如圖3所示。

圖3. 偏振幹涉色與具有偏振選擇和(hé)彩色成像功能的菲涅爾波帶片陣列

熊偉研究團隊基于飛秒(miǎo)激光定向組裝分子的策略，利用飛秒(miǎo)激光直寫的高(gāo)精度和(hé)真三維制(zhì)造優勢，成功實現了液晶分子的亞微米精度（129.6 nm）和(hé)高(gāo)自由度的三維組裝，同時(shí)該方法在其他有機高(gāo)分子材料的各向異性組裝中也展現出了巨大(dà)的潛力。

武漢光電(diàn)國家(jiā)研究中心博士生(shēng)張澤旭為(wèi)論文第一作(zuò)者，熊偉為(wèi)該論文通(tōng)訊作(zuò)者，研究單位為(wèi)華中科技(jì)大(dà)學和(hé)湖(hú)北光谷實驗室。該研究工作(zuò)得(de)到了國家(jiā)重點研發計(jì)劃、國家(jiā)自然科學基金、光谷實驗室創新研究項目、中央高(gāo)校研創基金和(hé)武漢-曙光知識創新計(jì)劃的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202401533