日前，國際頂級學術期刊《自然-通訊》以“Dynamically Actuated Soft Heliconical Architecture via Frequency of Electric Fields”為題，線上報導了東南大學智能材料研究院、化學化工學院、歐洲科學院院士李全團隊在電場頻率動態驅動傾斜螺旋液晶光學微結構方面的突破性研究進展。
訊號頻率驅動光學微結構對當代先進光子學和光學工程的發展有著重要意義。利用軟物質體系的頻率回應特性可實現寬動態範圍的螺旋結構調製，然而突出的問題是由於高頻熱效應對器件實際應用帶來的嚴峻挑戰。膽甾相液晶是一類具備自組裝螺旋微結構的光學軟資料，具有出色的刺激響應特性。對於某些特定的膽甾相液晶體系可以通過調節所施加電場的頻率來實現相態的切換及螺旋結構螺距調製。例如在離子型液晶體系中，增大電場頻率，可以形成均勻排列的平面織構，而降低電場頻率，會轉變為光散射態；在雙頻液晶中，調節電場頻率可實現對直角螺旋結構的螺距及光譜的調製，然而實現光譜寬動態範圍調製通常需要兆赫茲級的高頻電場，這種高頻訊號驅動通常將導致嚴重的介電加熱現象，甚至會使樣品溫度急劇升高，在實際應用中不可避免地會加速設備和系統的老化。
為了解决上述問題，該工作基於液晶二聚體資料構建了一種可在室溫條件下對電場頻率回應的傾斜螺旋膽甾相液晶體系，實現了頻率驅動的寬動態範圍的光子帶隙可逆調製且抑制了明顯的介電加熱效應。區別於傳統膽甾相的平面螺旋結構，傾斜螺旋結構中液晶分子不再垂直於螺旋軸而是形成一定的傾角，螺旋結構的螺距和傾角隨電場頻率實时變化，而不引起組裝微結構畸變，囙此可以在較低電場强度下通過調節電場頻率實現從藍、綠、紅到近紅外波段的寬譜域光子帶隙調製。值得關注的是，這種特殊的頻率回應機制與傳統的電場、溫度、光或機械力響應完全不同，而是來源於介電加熱效應、場致介電扭矩和液晶彈性效應之間的微妙耦合平衡。此外，該體系實現了螺旋結構對場強與頻率的二元響應，進一步拓寬了光學多維度調控、光學神經網路架構與神經元器件應用的新視野，促進了對刺激響應軟物質分子自組裝和統計力學的進一步理解。
基於傾斜螺旋體系對電場強度和頻率的二元響應性，該工作進一步設計了一種不依賴複雜算灋設計的資訊編譯與傳輸原型器件，以更方便、更容易、更低成本的管道類比資訊編碼和解碼過程，為一系列新興的加密和防偽應用提供了獨特的思路。此外，該工作還提供了軟光學微腔的動態操縱與編輯策略，基於該策略引入螢光染料，實現了電場強度、頻率及空間可調諧的雷射發射，促進了動態光學微腔、動態光子學應用的發展。
東南大學李全和前團隊成員、現華東理工大學物理學院鄭致剛教授為共同通訊作者。該研究工作還得到了江蘇省“雙創團隊”、國家優秀青年科學基金、國家自然科學基金重點專案等項目的支持。
原文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30486-2