液晶是一種兼具液體流動性及晶體有序性的特殊材料，具有物理各向異性和外場調(diào)制下的響應特性，這些特性使得液晶在微電子學、光電顯示、生物技術、新能源等眾多領域得到了廣泛應用。其中，單疇液晶由于其各向異性基元的長程單一排列，展現(xiàn)出類似單晶固體的先進功能和最優(yōu)各向異性，是調(diào)控液晶力學、光學、電學的重要結構。由于液晶本征多拓撲缺陷和單疇液晶的低熵態(tài)，大面積制備宏觀單疇液晶仍是一個巨大挑戰(zhàn)。

1.提出了“無邊界剪切印刷術”策略。打破了傳統(tǒng)剪切場固有邊界層限制，得到了大面積自由狀態(tài)的單疇液晶。 2.揭示了“單疇液晶光學、流變和傳導各向異性”。與常規(guī)多缺陷的液晶相比，單疇液晶表現(xiàn)出規(guī)律的光學響應和流變各向異性。 3.拓展了“二維膠體的高階液晶拓撲結構和多晶超結構”。通過在單疇液晶中可控引入奇點來擴展二維膠體液晶的拓撲結構，首次實現(xiàn)了缺陷強度從-2到+2的液晶結構制備。無邊界剪切印刷術也實現(xiàn)了在三維空間中自由設計區(qū)域化多晶超結構。

內(nèi)容簡介

浙江大學高分子系高超教授團隊提出了一種創(chuàng)新的“無邊界剪切印刷術”策略，取得了大面積二維膠體單疇液晶新突破。無邊界剪切印刷術通過極限壓縮相鄰流場間距離克服了單一剪切場的固有邊界層限制，精確地調(diào)控液晶基元以雙軸有序排列，消除了液晶的晶界和缺陷，實現(xiàn)了大面積單疇液晶的調(diào)控與大批量制備。并且拓展了二維膠體液晶高階拓撲結構的精確設計和多晶超結構的可控制備，進一步發(fā)掘了無邊界剪切印刷術的應用前景。

圖文導讀

無邊界剪切印刷術通過極大地縮小相鄰剪切場之間的距離來消除液晶的缺陷和晶界。累加剪切區(qū)域?qū)挾鹊椭? μm，具有均勻的剪切應力分布，克服了單一剪切場邊界層的固有限制。在累加剪切區(qū)域內(nèi)，GO片層以雙軸有序排列取向。通過逐次累積剪切，無邊界剪切印刷術實現(xiàn)了自由狀態(tài)下的大面積單疇液晶的批量制備。 圖1.“無邊界剪切印刷術”制備單疇液晶。 通過“無邊界剪切印刷術”，制備了長度高達30 cm的單疇液晶。在整個區(qū)域內(nèi)，單軸液晶在0-360°內(nèi)展現(xiàn)出光學各向異性和流變各向異性。 圖2.單疇液晶光學和流變各向異性。 進一步發(fā)現(xiàn)，單疇液晶的骨架也展現(xiàn)出大面積的連續(xù)性和規(guī)整性。同時，通過改變剪切角度，單疇液晶的基元空間取向角度可以隨意調(diào)節(jié)，制備了包括垂直態(tài)和各種傾斜態(tài)的單疇液晶及骨架。 圖3.?單疇液晶的規(guī)整骨架。 無邊界剪切印刷術可進一步拓展到其他二維膠體液晶中，該方法已應用于其他二維片層單疇液晶及單疇骨架的制備，包括無機鹽類(蒙脫土)，陶瓷類(氮化硼)，半導體類(二硫化鉬)等，使得無邊界剪切印刷術有潛力成為一種普適性的制備單疇液晶和長程有序結構的新工藝。 圖4.?二維家族單疇液晶及單疇骨架。 得益于無邊界剪切印刷術的可自由編程特點，通過可控的引入奇點制備了缺陷強度從-2到+2的拓撲結構。并通過分區(qū)域可控微剪切，制備了各種復雜的多晶超結構，進一步拓展了該方法的應用空間。 圖5.?高階拓撲結構與多晶超結構。 V結論和展望 本文提供了一種“無邊界剪切印刷術”用于制備二維膠體單疇液晶的思路和方法，該方法打破了傳統(tǒng)剪切場固有邊界層限制，具有高精度操作簡單、編程性、普適性等諸多優(yōu)勢，是調(diào)控液晶光學和制備高各向異性的先進材料的新方法。該工作是在高超教授團隊前期積累和前人工作經(jīng)驗總結的基礎上完成，早在2019年，該團隊研究人員發(fā)現(xiàn)了氧化石墨烯液晶慢松弛動力學特征，并利用液體剪切微印刷術制備了超液晶材料。