液晶材料是一類在自然界和人造材料中都廣泛存在的材料，在顯示屏、傳感器、智能彈性材料等領域都有著廣泛的應用。對于液晶材料而言，調控其內部的取向結構和拓撲構象是研究液晶理論和調控液晶材料性能的關鍵。現(xiàn)有的研究手段一般是將液晶限域在高度對稱的空間里，如球形、橢球形、圓柱形，來探索它的三維拓撲結構。液晶材料本身具有類似彈性體的性質，想要將液晶限域在復雜的非球形的三維空間中會引起很大的彈性畸變，因此，復雜的非球形狀的液晶組裝體很難穩(wěn)定存在。迄今為止，制備復雜幾何形狀的液晶組裝體并探索其內部的拓撲構象仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。

近日，浙江大學高超教授（共同通訊）、許震特聘研究員（共同通訊）團隊及其他合作者（浙江大學鄭強教授和宋義虎教授）共同努力，在前期工作的基礎上，采用滴落撞擊組裝法（Drop Impact Assembly, DIA）制備出了多種具有復雜幾何形狀的非球液晶組裝體，并對其內部拓撲結構和成型機理進行了研究。

圖一 (a)DIA過程示意圖，(b,c)大規(guī)模制備的形狀均一穩(wěn)定的水母狀和榛果狀液晶組裝體。

研究人員通過DIA的方法，將氧化石墨烯液晶滴落到含有氯化鈣的凝固浴中，制備出了具有不同形狀的氧化石墨烯液晶組裝體。DIA工藝被廣泛用于液體組裝領域，通過對滴落高度和液體表面張力的調節(jié)可以得到多種不同形狀的瞬態(tài)結構。氧化石墨烯液晶獨特的剪切變稀行為使得氧化石墨烯液滴內的片在撞擊作用下可以有效取向。同時，氧化石墨烯片上豐富的含氧官能團也有助于液滴在陽離子的作用下迅速形成凝膠，從而維持住撞擊時形成的豐富的形狀結構。

圖二?(a)不同滴落高度和濃度條件下得到的液晶組裝體的形貌，(b)非球形液晶組裝體的制備相圖。

圖三?不同形狀組裝體的幾何形貌及拓撲構象：(a)眼淚狀，(b)榛果狀，(c)碗狀，(d、f)水母狀，(e)花狀。

得益于液晶所特有的雙折射現(xiàn)象，該團隊通過偏光高速成像的技術對DIA過程進行了實時觀測，進一步探究了不同形狀組裝體的成型機理。研究人員研究了滴落高度和氧化石墨烯溶液濃度對液滴形狀的影響，通過對大量的實驗數(shù)據(jù)的總結，得到了相應的相圖，為DIA法制備復雜形狀的液晶組裝體提供了指導性的思路。此外，該項研究工作將這一制備方法拓展到了氧化石墨烯/海藻酸鈉、氧化石墨烯/四氧化三鐵等復合體系中，進一步拓展了這一方法的應用范圍和功能性。

圖四 異形復合液晶組裝體。(a-c)不同排列形式的氧化石墨烯/海藻酸鈉復合組裝體。(d)由氧化石墨烯/四氧化三鐵制備的具有磁性的異形復合組裝體。

這一成果的取得也得益于高超教授團隊之前的積累和對前人工作的學習借鑒。早在2011年，該研究團隊就發(fā)現(xiàn)了氧化石墨烯液晶性，并利用液晶進行紡絲，從而開拓氧化石墨烯液晶及其宏觀組裝研究領域。相關工作包括(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.）。

相關成果以“Nonsphere Drop Impact Assembly of Graphene Oxide Liquid Crystals”為題發(fā)表在ACS Nano上，論文的第一作者為高超教授團隊的出站博士后楊秋艷，目前就職西湖大學，共同第一作者為高超團隊博士生姜炎秋。浙江大學高分子科學與工程學系的鄭強教授和宋義虎教授為該項工作的完成提供了大力支持和合作指導。論文得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委等相關經費的資助。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b03926

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