液晶材料是一类在自然界和人造材料中都广泛存在的材料，在显示屏、传感器、智能弹性材料等领域都有着广泛的应用。对于液晶材料而言，调控其内部的取向结构和拓扑构象是研究液晶理论和调控液晶材料性能的关键。现有的研究手段一般是将液晶限域在高度对称的空间里，如球形、椭球形、圆柱形，来探索它的三维拓扑结构。液晶材料本身具有类似弹性体的性质，想要将液晶限域在复杂的非球形的三维空间中会引起很大的弹性畸变，因此，复杂的非球形状的液晶组装体很难稳定存在。迄今为止，制备复杂几何形状的液晶组装体并探索其内部的拓扑构象仍是一个巨大的挑战。
近日，浙江大学高超教授（共同通讯）、许震特聘研究员（共同通讯）团队及其他合作者（浙江大学郑强教授和宋义虎教授）共同努力，在前期工作的基础上，采用滴落撞击组装法（Drop Impact Assembly, DIA）制备出了多种具有复杂几何形状的非球液晶组装体，并对其内部拓扑结构和成型机理进行了研究。
图一 (a)DIA过程示意图，(b,c)大规模制备的形状均一稳定的水母状和榛果状液晶组装体。
研究人员通过DIA的方法，将氧化石墨烯液晶滴落到含有氯化钙的凝固浴中，制备出了具有不同形状的氧化石墨烯液晶组装体。DIA工艺被广泛用于液体组装领域，通过对滴落高度和液体表面张力的调节可以得到多种不同形状的瞬态结构。氧化石墨烯液晶独特的剪切变稀行为使得氧化石墨烯液滴内的片在撞击作用下可以有效取向。同时，氧化石墨烯片上丰富的含氧官能团也有助于液滴在阳离子的作用下迅速形成凝胶，从而维持住撞击时形成的丰富的形状结构。
图二 (a)不同滴落高度和浓度条件下得到的液晶组装体的形貌，(b)非球形液晶组装体的制备相图。
图三 不同形状组装体的几何形貌及拓扑构象：(a)眼泪状，(b)榛果状，(c)碗状，(d、f)水母状，(e)花状。
得益于液晶所特有的双折射现象，该团队通过偏光高速成像的技术对DIA过程进行了实时观测，进一步探究了不同形状组装体的成型机理。研究人员研究了滴落高度和氧化石墨烯溶液浓度对液滴形状的影响，通过对大量的实验数据的总结，得到了相应的相图，为DIA法制备复杂形状的液晶组装体提供了指导性的思路。此外，该项研究工作将这一制备方法拓展到了氧化石墨烯/海藻酸钠、氧化石墨烯/四氧化三铁等复合体系中，进一步拓展了这一方法的应用范围和功能性。
图四 异形复合液晶组装体。(a-c)不同排列形式的氧化石墨烯/海藻酸钠复合组装体。(d)由氧化石墨烯/四氧化三铁制备的具有磁性的异形复合组装体。
这一成果的取得也得益于高超教授团队之前的积累和对前人工作的学习借鉴。早在2011年，该研究团队就发现了氧化石墨烯液晶性，并利用液晶进行纺丝，从而开拓氧化石墨烯液晶及其宏观组装研究领域。相关工作包括(ACS Nano 2011, 5, 2908.；Nat. Commun., 2011, 2, 571.；Acc. Chem. Res., 2014, 47(4), 1267-1276.；Chem. Rev., 2015, 115(15), 7046?7117.；Adv. Mater., 2016, 28, 7941.）。
相关成果以“Nonsphere Drop Impact Assembly of Graphene Oxide Liquid Crystals”为题发表在ACS Nano上，论文的第一作者为高超教授团队的出站博士后杨秋艳，目前就职西湖大学，共同第一作者为高超团队博士生姜炎秋。浙江大学高分子科学与工程学系的郑强教授和宋义虎教授为该项工作的完成提供了大力支持和合作指导。论文得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委等相关经费的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b03926
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