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(yīng)特性，這些特性使得液晶在微電子學、光電顯示、生物技術(shù)、新能源等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)。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(shù)”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(yīng)和流變各向異性。 3.拓展了“二維膠體的高階液晶拓撲結(jié)構(gòu)和多晶超結(jié)構(gòu)”。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(jié)構(gòu)，首次實現(xiàn)了缺陷強度從-2到+2的液晶結(jié)構(gòu)制備。無邊界剪切印刷術(shù)也實現(xiàn)了在三維空間中自由設(shè)計區(qū)域化多晶超結(jié)構(gòu)。

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(shù)”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(shù)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(jié)構(gòu)的精確設(shè)計和多晶超結(jié)構(gòu)的可控制備，進一步發(fā)掘了無邊界剪切印刷術(shù)的應(yīng)用前景。

圖文導讀

無邊界剪切印刷術(shù)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(yīng)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(shù)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(shù)”制備單疇液晶。 通過“無邊界剪切印刷術(shù)”，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(shù)可進一步拓展到其他二維膠體液晶中，該方法已應(yīng)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(shù)有潛力成為一種普適性的制備單疇液晶和長程有序結(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)。并通過分區(qū)域可控微剪切，制備了各種復雜的多晶超結(jié)構(gòu)，進一步拓展了該方法的應(yīng)用空間。 圖5.?高階拓撲結(jié)構(gòu)與多晶超結(jié)構(gòu)。 V結(jié)論和展望 本文提供了一種“無邊界剪切印刷術(shù)”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(jié)的基礎(chǔ)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(shù)制備了超液晶材料。