《Nano-Micro Letters》：浙大高超教授团队在二维胶体单畴液晶的大面积调控方面取得新进展

研究背景

液晶是一种兼具液体流动性及晶体有序性的特殊材料，具有物理各向异性和外场调制下的响应特性，这些特性使得液晶在微电子学、光电显示、生物技术、新能源等众多领域得到了广泛应用。其中，单畴液晶由于其各向异性基元的长程单一排列，展现出类似单晶固体的先进功能和最优各向异性，是调控液晶力学、光学、电学的重要结构。由于液晶本征多拓扑缺陷和单畴液晶的低熵态，大面积制备宏观单畴液晶仍是一个巨大挑战。

成果出处

在浙江大学交叉创新思想长期引导下，浙江大学高分子系高超教授团队提出了一种创新的“无边界剪切印刷术”策略，取得了大面积二维胶体单畴液晶新突破。无边界剪切印刷术通过极限压缩相邻流场间距离克服了单一剪切场的固有边界层限制，精确地调控液晶基元以双轴有序排列，消除了液晶的晶界和缺陷，实现了大面积单畴液晶的调控与大批量制备。并且拓展了二维胶体液晶高阶拓扑结构的精确设计和多晶超结构的可控制备，进一步发掘了无边界剪切印刷术的应用前景。

相关成果以“Monodomain Liquid Crystals of Two-Dimensional Sheets by Boundary-Free Sheargraphy”为题发表在《Nano-Micro Letter》期刊上(DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-022-00925-2)。论文第一作者为团队博士生曹敏。论文得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江大学百人计划、中央高校专项基金、山西浙大新材料研究院等相关经费资助和机构支持。

工作亮点

(1)提出了“无边界剪切印刷术”策略。打破了传统剪切场固有边界层限制，得到了大面积自由状态的单畴液晶。

(2)揭示了“单畴液晶光学、流变和传导各向异性”。与常规多缺陷的液晶相比，单畴液晶表现出规律的光学响应和流变各向异性。

(3)拓展了“二维胶体的高阶液晶拓扑结构和多晶超结构”。通过在单畴液晶中可控引入奇点来扩展二维胶体液晶的拓扑结构，首次实现了缺陷强度从-2到+2的液晶结构制备。无边界剪切印刷术也实现了在三维空间中自由设计区域化多晶超结构。

图文导读

图1. “无边界剪切印刷术”制备单畴液晶。

无边界剪切印刷术通过极大地缩小相邻剪切场之间的距离来消除液晶的缺陷和晶界。累加剪切区域宽度低至2 µm，具有均匀的剪切应力分布，克服了单一剪切场边界层的固有限制。在累加剪切区域内，GO片层以双轴有序排列取向。通过逐次累积剪切，无边界剪切印刷术实现了自由状态下的大面积单畴液晶的批量制备。

图2.单畴液晶光学和流变各向异性。

通过“无边界剪切印刷术”，制备了长度高达30 cm的单畴液晶。在整个区域内，单轴液晶在0-360°内展现出光学各向异性和流变各向异性。

图3.单畴液晶的规整骨架。

进一步发现，单畴液晶的骨架也展现出大面积的连续性和规整性。同时，通过改变剪切角度，单畴液晶的基元空间取向角度可以随意调节，制备了包括垂直态和各种倾斜态的单畴液晶及骨架。

图4.二维家族单畴液晶及单畴骨架。

无边界剪切印刷术可进一步拓展到其他二维胶体液晶中，该方法已应用于其他二维片层单畴液晶及单畴骨架的制备，包括无机盐类(蒙脱土)，陶瓷类(氮化硼)，半导体类(二硫化钼)等，使得无边界剪切印刷术有潜力成为一种普适性的制备单畴液晶和长程有序结构的新工艺。

图5.高阶拓扑结构与多晶超结构。

得益于无边界剪切印刷术的可自由编程特点，通过可控的引入奇点制备了缺陷强度从-2到+2的拓扑结构。并通过分区域可控微剪切，制备了各种复杂的多晶超结构，进一步拓展了该方法的应用空间。

本文提供了一种“无边界剪切印刷术”用于制备二维胶体单畴液晶的思路和方法，该方法打破了传统剪切场固有边界层限制，具有高精度操作简单、编程性、普适性等诸多优势，是调控液晶光学和制备高各向异性的先进材料的新方法。该工作是在高超教授团队前期积累和前人工作经验总结的基础上完成，早在2019年，该团队研究人员发现了氧化石墨烯液晶慢松弛动力学特征，并利用液体剪切微印刷术制备了超液晶材料。相关工作包括Nat. Commun., 2019, 10, 4111; Science, 2021, 372, 614; Nat. Commun., 2011, 2, 571; Adv. Mater., 2013, 25,188; Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 2006584; Sci. Adv., 2020, 6(46), eabd4045；Matter, 2020, 3(1), 230; Acc. Mater. Res. 2020, 1(3), 175等。