Nature communications-是什么驱动了强限制胶体液晶中缺陷调解域结构？

将液态晶体限制在有限体积中时，边界引起的表面锚与这些材料固有取向对称-破坏之间的竞争，引起许多涉及拓扑缺陷结构的有趣现象。对于合成分子聚芳酯，如果用在液晶显示器，这些缺陷结构与分子尺寸无关，但可以用连续理论很好的进行描述。相反，对于碳纳米管和生物聚合物这样的胶体系统，它们长度只有微米级，因此在强的限制条件下，连续现象可能不复存在。

近日，由荷兰阿姆斯特丹FOM研究所研究人员领导的科研团队，通过在特定磁盘和环形细胞融合器中对病毒粒子进行计算机模拟与实验，展示了强体积限制胶体液晶导致新缺陷稳定对称结构域的形成。这种有限尺寸效应对于设计光学活性微观结构、开拓高限制液晶的未知机制来说都具有非常大的潜力。

【图文导读】

图1限制在浅前房中棒状颗粒堆积结构概览.

符号说明：B_i，磁盘里；B_b，磁盘边界；B₀，离中心有限距离；B_∞，离磁盘无限远. L、D：分别为棒状颗粒的长度与直径.

第一行：根据旋转位移点位置分类示意图，（a）B_i，（b）B_b，（c）B₀，（d）B_∞.

第二行：颗粒位置与其对应右边纵坐标取向的快照.

第三行：取向模式平均值超过10³配置.

第四行：标量序参数值S∈[0,1]，右边为比例尺.

第五行：讨论. 归一化角损参数，其峰值在缺陷中心.

模拟参数：（e,i,m,q） L/D=15，η=0.16；（f,j,n,r）L/D=15，η=0.2；（g,k,o,s）L/D=20，η=0.2； （h,l,p,t） L/D=25，η=0.2.

图2限制在环形腔室中棒状颗粒堆积结构概览，

从左至右依次展示了三倍、四倍、五倍对称，符号说明：R_inner，模拟体积中心所开孔的内半径.

第一行：模拟快照.

第二行：颗粒取向平均值超过10³配置，在右侧用彩色条表示.

第三行：标量序参数值S∈[0,1].

第四行：归一化角损参数.

每一栏的模拟参数（从左至右）：（a,d,g,j）H=6，L/D=15，η=0.20，R_inner=7.5；（b,e,h,k）H=6，L/D=25，η=0.20，R_inner=15；（c,f,i,l）H=3，L/D=25，η=0.20，R_inner=15.

图3 不同几何体中向列的域数.

符号说明： R_outer，模拟体积中心所开孔的外半径.

模拟中观察到的模型对称数n，对于棒状颗粒L/D=15、R_outer=40D，以及在不同堆积数下腔室高度H=D和H=3D，6D，其为内孔半径R_inner的函数. 不同颜色的标记符号代表不同的模型，所选形状如图中最下面一行所示具有对称性. 垂直虚线标记了基于文中讨论几何规则的不同模式间所预测的边界.

图4 实验观察到限制在磁盘状和环状细胞融合器中的胶体液晶结构

（a-c）三种典型模式，色调对应平均取向，亮度对应最大时间投射超过所需的2000帧荧光标记fd-病毒颗粒. （a）D2：实验呈现出两倍对称和两个奇异点；（b）D3：实验呈现出三倍对称和三个奇异点；（c）D_∞：实验呈现出全旋转对称和无奇异点；标尺为5um.

（d）给定的可能模式P_patern为内径R_inner的函数（其与外径R_outer单位统一）. D₂（绿色方块）最有可能为R_inner=0；D₃（红色三角）最有可能为R_inner/R_outer=0.2；D_∞（蓝色圆圈）最有可能为R_inner/R_outer=0.7.

文献链接：Finite particle size drives defect-mediated domain structures in strongly confined colloidal liquid crystals

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