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記者從中國科學技術大學獲悉，該校物理系彭晨暉教授團隊與香港科大張銳教授團隊合作，以各向異性的液晶材料為研究對象，利用光學構型的方法制備了可編程控制的三維拓撲結構。此項研究成果日前發表于《美國國家科學院院刊》。

近十年來，活性軟物質的研究逐漸成為軟凝聚態物理的研究前沿。而如何解析諸如拓撲缺陷、孤子和渦旋等拓撲結構，是理解處于非平衡態的活性軟物質的關鍵所在。由于活性軟物質具有內在的非平衡態屬性及復雜的三維結構，對于其拓撲結構的研究一直挑戰與機遇并存。

液晶是一類分子取向長程有序的材料。液晶分子可以自組裝成一定的結構，在顯示、感應、光子器件等領域有廣泛應用。研究團隊首先控制液晶自組裝結構制備了二維拓撲缺陷，然后令此二維拓撲圖案與沿特定方向的液晶分子結合，利用此兩種構型之間的不兼容，制備了處于平衡態的三維拓撲結構。隨后，利用光照驅動液晶分子使其處于非平衡態，并成為具備活性的軟物質系統，從而實現三維拓撲結構之間的相互轉換。由于在整個過程中，形成三維拓撲結構的二維拓撲圖案是可預設計的，研究團隊實現了以編程方式控制不同三維拓撲結構之間的轉換。研究人員將生物分子置于此三維拓撲結構中，生物分子就會在拓撲缺陷陣列處完成自組裝，此過程無需任何外力或外加場。此三維拓撲缺陷陣列完全由光學構型決定，且可以用光場對其進行復寫。可復寫的三維拓撲缺陷會被光場引導產生不同的取向，位置以及幾何圖案。此可編程的三維拓撲結構又可誘導其上的生物分子自組裝隨其變化，從而實現光控可編程生物分子自組裝功能。

該成果首次制備了處在非平衡狀態下的軟物質三維拓撲結構，并利用光照實現了三維拓撲結構之間以可編程的方式進行相互轉換。這項基礎研究將有助于人們理解活性軟物質中的三維拓撲結構。此工作中使用的通過控制分子自組裝來對拓撲結構進行的編程，為將來實現可編程的生物分子自組裝，以及智能活性材料等研究提供廣闊的空間。審稿人給予本工作高度評價：“這項漂亮的工作是動態控制活性液晶中的相錯結構領域一項意義重大的進展”。

關鍵詞： 拓撲結構 生物分子 非平衡態 各向異性 非平衡狀態