近年來，扭轉(zhuǎn)電子學(xué)作為一個(gè)新興領(lǐng)域備受關(guān)注。通過在固體材料晶格中將一層旋轉(zhuǎn)到與其它層成特定角度，就能夠產(chǎn)生稱為Moiré圖案或Moiré效應(yīng)，從而形成新的周期性結(jié)構(gòu)，進(jìn)而產(chǎn)生新的物理現(xiàn)象。目前對(duì)Moiré圖案的研究涵蓋應(yīng)變分析和計(jì)量技術(shù)、生物器件中的超分辨率成像，以及范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，比如超導(dǎo)、自旋器件和拓?fù)浣^緣體等。

香港科大張銳教授課題組與中科大彭晨暉教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開展研究，旨在將Moiré效應(yīng)拓展到控制軟物質(zhì)材料的微觀結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊(duì)以液晶系統(tǒng)為例，展示如何利用Moiré效應(yīng)操縱拓?fù)淙毕莸慕Y(jié)構(gòu)；這種方法被稱為“液晶Moiré圖案”。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合液晶理論、自由能模擬和實(shí)驗(yàn)研究了表面上不同周期錨定圖案產(chǎn)生的Moiré效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)該效應(yīng)可誘導(dǎo)生成多樣化的、周期可調(diào)的缺陷結(jié)構(gòu)，包括直線、螺旋狀曲線、缺陷網(wǎng)絡(luò)和環(huán)等形態(tài)。通過共焦顯微鏡實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在液晶盒中成功觀察到了這些新型結(jié)構(gòu)的三維特征。這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形狀和表面錨定圖案顯著不同；這些結(jié)構(gòu)的形態(tài)、方向和周期可以通過改變旋轉(zhuǎn)角度和液晶盒的厚度來調(diào)節(jié)，并展現(xiàn)出各種低頻和高頻的幾何Moiré模式，其光學(xué)圖像區(qū)別于傳統(tǒng)的Moiré圖像。

圖1：一維的向列相Moiré圖案中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和三維網(wǎng)絡(luò)膠體組裝。

液晶Moiré圖案不僅可以形成多樣化的周期性缺陷結(jié)構(gòu)，還可以引導(dǎo)膠體顆粒的自組裝和成核。如圖1所示，研究團(tuán)隊(duì)觀察到膠體顆粒沿著缺陷線排列，并在缺陷網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)了三維自組裝。實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液晶Moiré圖案中的缺陷環(huán)收縮時(shí)，這些膠體顆?？梢酝ㄟ^堵塞阻止自湮滅。此外，如圖2所示，設(shè)計(jì)精美的液晶Moiré圖案還可以生成像素化的形狀，為新型圖案設(shè)計(jì)、文件加密和防偽提供了新的可能。

圖2：使用向列相Moiré圖案對(duì)缺陷區(qū)域進(jìn)行按需形狀模擬設(shè)計(jì)

綜上，通過設(shè)計(jì)液晶Moiré圖案，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了液晶系統(tǒng)中缺陷結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控，包括缺陷的形狀、周期和取向。這種新型多功能性操縱方法為液晶及其他軟材料系統(tǒng)中的拓?fù)洹缀魏陀行蛐灾g的相互作用的研究提供了新的平臺(tái)，并促進(jìn)了基于拓?fù)淙毕莸膽?yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。同時(shí)，液晶Moiré圖案也為材料科學(xué)領(lǐng)域的微觀結(jié)構(gòu)的逆向設(shè)計(jì)提供了新的思路和方法。

此工作理論模擬部分由香港科大張銳教授課題組完成，實(shí)驗(yàn)部分由中科大彭晨暉教授團(tuán)隊(duì)完成。張銳教授和彭晨暉教授為本文共同通訊作者，香港科大王馨玉博士、中科大百人計(jì)劃特任研究員蔣景華教授和孟菲斯大學(xué)陳娟博士為本文共同第一作者。

論文信息：

Moiré effect enables versatile design of topological defects in nematic liquid crystals

https://doi.org/10.1038/s41467-024-45529-z

基金信息：

香港研究資助局撥款編號(hào): 26302320.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目: 62375254.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目: 62305323.