Nature最新报道：液晶中的弹性胶体磁单极子及可重构自组装

【引言】

类磁单极子静电相互作用在生物学和凝聚态物质中是普遍存在的，但它们往往被反离子屏蔽，不能从吸引态转变为排斥态。在胶体学中，主要目标是开发胶体粒子，模拟和超越原子和分子组装的多样性和长度尺度，带静电粒子不能改变其表面电荷的符号，也不能从单极转变为高阶多极。在液晶胶体中，粒子之间产生弹性相互作用，使得粒子周围棒状分子在长程排列中与弹性变形相关的自由能最小化。在偶极、四极和十六极性的向列型胶体中，这种弹性变形的对称性既模拟了静电多极子，也模拟了原子最外层的电子壳层。在这种胶体中，已经证明了电磁转换、弹性多极子的自发转换和光学控制，以及它们与拓扑缺陷和表面边界条件的相互作用。然而，由于弹性磁单极子所产生的弹性力矩，长期以来人们一直认为弹性磁单极子应该松弛到均匀或高阶的多极态。

【成果简介】

今日，在科罗拉多大学博尔德分校Ivan I. Smalyukh教授（通讯作者）带领下，开发了具有强弹性单极矩的向列型胶体，其弹性扭矩由环境光引起的光学扭矩平衡。团队用非结构光演示了这些胶体粒子从单极到四极的重排，它类似于原子在基态和各种激发态之间的驱动。证明了弹性磁单极子的符号是可以被转换的，并且与静电学中不同，同性电荷的磁单极子相互吸引，而异性电荷的磁单极子相互排斥。还证明了这些胶体粒子的非平衡动态组装。用一个模型来解释这种行为，该模型考虑了激发态弹性磁单极子的光学扭矩和弹性扭矩的平衡，并可能产生光驱动的活性物质系统和自组装纳米机器。相关成果以题为“Elastic colloidal monopoles and reconfigurable self-assembly in liquid crystals”发表在了Nature上。

【图文导读】

图1相反电荷的弹性胶体磁单极子

图2弹性磁单极子之间的胶体相互作用

图3弹性磁单极子相互作用的符号和强度的光交换

图4非衡胶体的组装

文献链接：Elastic colloidal monopoles and reconfigurable self-assembly in liquid crystals（Nature，2019，DOI:10.1038/s41586-019-1247-7）

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