近年來，扭轉電子學作為一個新興領域備受關注。通過在固體材料晶格中將一層旋轉到與其它層成特定角度，就能夠產生稱為Moiré圖案或Moiré效應，從而形成新的周期性結構，進而產生新的物理現象。目前對Moiré圖案的研究涵蓋應變分析和計量技術、生物器件中的超分辨率成像，以及范德華異質結構中的應用，比如超導、自旋器件和拓撲絕緣體等。
香港科大張銳教授課題組與中科大彭晨暉教授團隊聯合開展研究，旨在將Moiré效應拓展到控制軟物質材料的微觀結構。團隊以液晶系統為例，展示如何利用Moiré效應操縱拓撲缺陷的結構；這種方法被稱為“液晶Moiré圖案”。研究團隊結合液晶理論、自由能模擬和實驗研究了表面上不同周期錨定圖案產生的Moiré效應，發現該效應可誘導生成多樣化的、周期可調的缺陷結構，包括直線、螺旋狀曲線、缺陷網絡和環等形態。通過共焦顯微鏡實驗，實驗團隊在液晶盒中成功觀察到了這些新型結構的三維特征。這些拓撲結構的形狀和表面錨定圖案顯著不同；這些結構的形態、方向和周期可以通過改變旋轉角度和液晶盒的厚度來調節，并展現出各種低頻和高頻的幾何Moiré模式，其光學圖像區別于傳統的Moiré圖像。
圖1：一維的向列相Moiré圖案中的拓撲結構和三維網絡膠體組裝。
液晶Moiré圖案不僅可以形成多樣化的周期性缺陷結構，還可以引導膠體顆粒的自組裝和成核。如圖1所示，研究團隊觀察到膠體顆粒沿著缺陷線排列，并在缺陷網絡中實現了三維自組裝。實驗團隊還發現，當液晶Moiré圖案中的缺陷環收縮時，這些膠體顆粒可以通過堵塞阻止自湮滅。此外，如圖2所示，設計精美的液晶Moiré圖案還可以生成像素化的形狀，為新型圖案設計、文件加密和防偽提供了新的可能。
圖2：使用向列相Moiré圖案對缺陷區域進行按需形狀模擬設計
綜上，通過設計液晶Moiré圖案，研究團隊實現了液晶系統中缺陷結構的精準調控，包括缺陷的形狀、周期和取向。這種新型多功能性操縱方法為液晶及其他軟材料系統中的拓撲、幾何和有序性之間的相互作用的研究提供了新的平臺，并促進了基于拓撲缺陷的應用的進一步發展。同時，液晶Moiré圖案也為材料科學領域的微觀結構的逆向設計提供了新的思路和方法。
此工作理論模擬部分由香港科大張銳教授課題組完成，實驗部分由中科大彭晨暉教授團隊完成。張銳教授和彭晨暉教授為本文共同通訊作者，香港科大王馨玉博士、中科大百人計劃特任研究員蔣景華教授和孟菲斯大學陳娟博士為本文共同第一作者。
論文信息：
Moiré effect enables versatile design of topological defects in nematic liquid crystals
https://doi.org/10.1038/s41467-024-45529-z
基金信息：
香港研究資助局撥款編號: 26302320.
國家自然科學基金資助項目: 62375254.
國家自然科學基金資助項目: 62305323.
