弧形光栅周期由与向周期Λ决定

南京大学为论文独一单元,马玲玲副研究员和硕士为配合第一做者,胡伟传授和陆延青传授为配合通信做者。吴赛博、陈鹏副传授、陈全明、钱嘉欣、葛士军副研究员、武远航对本文亦有主要贡献。本研究受国度沉点研发打算、国度天然科学基金、江苏省基金、地方高校根基科研营业费赞帮完成。

该研究中弧形光栅织构的平移反映的是系统内部液晶指向矢的集体沉构取演变,叉形位错跟从织构平移并照顾粒子平动,从而成功将螺旋布局解旋/增旋为负载粒子的正反向平动,完满婚配了前述细菌依托马达和拆卸啮合机构的自驱动、自传动的活动模式。平动轨迹取标的目的可通过预设取向布局实现定制化,这为可编程施行器的设想开辟供给了一种全新的策略。驱动光功率密度约为100 μW/cm²,仅为通俗光镊的1/500,大幅降低了样品发生光毁伤的可能。该施行器合用于多量量粒子的并行输运,基于系统对粒子尺寸、外形和概况性质的性,还可实现对粒子的分拣。连系时序和空间的分步多元外场节制,无望实现对粒子疏运的及时和谐多材质的定点拆卸。由于缺陷态的拓扑,让具有鲁棒性的三维粒子疏运也值得等候。该工做可望激能材料和智能机械人的全新设想,正在微纳智能制制、光流控、生物传感、片上诊疗等范畴展示使用价值。

近日,南京大学胡伟传授、陆延青传授团队正在手性液晶中报酬拆卸建立细密螺旋布局,并通过光照刺激布局全体增旋/解旋,模仿了细菌操纵鞭毛螺旋式推进本身正在水中前行的活动模式,实现了光照自驱动和自拆卸布局传动的可编程施行器,并验证了对负载微球的定制化二维活动编程。相关以Programmable self-propelling actuators enabled by a dynamic helical medium为题,于2021年8月6日正在线颁发正在Science Advances。

动物通过神经信号刺激肌肉响应做出各类动做。刺激变形的液晶弹性体被普遍用来模仿同党的扇动,爬虫的爬动,肌肉的伸缩和关节的弯曲。这些活动来历于刺激下材料分歧侧非对称的收缩、膨缩或扭曲形变。向具有螺旋布局特征的胆甾相液晶中掺入光响应手性开关,光致异构化或开闭环反映会以致系统螺旋扭曲能变化,进而驱动螺旋布局解旋或增旋。将该材料悬涂成膜后,光照可驱动布局全体演变并带动悬浮粒子动弹。这供给了一种完满的光驱动马达候选系统,可是模仿拆卸微布局“啮合” 实现传动仍是一项挑和。

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上述可编程施行器功能的实现全赖特殊拆卸布局的引入。正在15 μm/min的挪动速度下,从而实现了高效的动弹-平动转换。他们成功验证了悬浮微球的会聚、发散、定点堆积和轨道公转等活动模式。策动机活塞的来去平动驱动车动,图 2. 平均取向半胆甾相液晶薄膜 (A) 螺旋布局示企图及周期性相位变化,幸运的是,然而,其活动轨迹具有超卓的标的目的选择性,正交标的目的位移量的对比度正在20以上。例如,(C) 周期性拱形光栅织构,

胆甾相液晶悬涂到平均配向的基板上时,切近基板的液晶跟从配向层取向,底部液晶自觉构成螺旋布局且螺旋轴朝向基板法向,液晶沿螺旋轴扭转一周的距离称为螺距p。顶部空气界面液晶垂曲配向,上下匹敌性的配领导致液晶薄膜顶部区域发生横向的周期性指向矢波动l,l通倍于p。这导致了一个取l相对映的相位延迟量波动,正在偏鲜明微镜下呈现出周期性亮暗变化,构成一维光栅。光栅矢量标的目的取决于膜厚、系统手性和初始配向标的目的。其能够取概况配向标的目的呈肆意夹角,且正在光驱动过程中陪伴螺旋布局解旋/增旋持续变化,光栅周期l也响应增大/缩小。

当预设取向变为周期性Λ持续渐变时,对映概况取向周期性呈现展曲(S)和弯曲(B)分布,显微织构也响应弯曲变为弧形光栅织构。弧形光栅周期由取向周期Λ决定,弧型的宽为l。相邻弧形光栅区域会汇集大量的叉形缺陷。正在蓝紫光驱动下,螺旋布局逆时针解旋、弧型宽度逐步变大、弧形光栅织构内部布局的有序度逐步变差。这可通过衍射图案的布局和强度变化获得验证。由于液晶只发生原动弹,并不发生流动,这就等效为弧型光栅织构发生横向平移。而进一步研究表白,螺旋布局每解旋半个螺距,局域光栅条纹响应扭转180°,弧形光栅织构平移一个周期Λ。这就将螺旋布局光照解旋/增旋取弧形光栅织构的横向平移连系到了一路。别的,织构的平移标的目的能够通过改变取向图案的渐变扭转标的目的或辐照光波长来实现反转。

图 4. 动弹-平动转换 (A) 微球粒子单向输运,比例尺50 μm,(B) 横向Δx和纵向Δy位移取扭转角度θ的关系,(C) 光驱动微球输运的势能阐发。

图 1. 可编程施行器实现微球 (A) 会聚,(B) 发散,(C) 定点堆积,(D) 轨道公转。从左往左四列别离展现了分歧的基板配向设定,微球起始形态、挪动过程和终态。比例尺50 μm

(D) l取时间的关系,进而鞭策车辆行驶。它们倾向于被临近弧形光栅间的刃型位错捕捉,图 3. 弧形光栅织构的光驱动演变 (A) 图案化取向的螺旋超布局示企图,纵使跳过指向矢场的阐发会商,比例尺50 μm研究团队通过写入特定光偏振消息预设基板取向图案,进而跟从光栅织构同步平动!

假如能正在活性自拆卸系统中模仿上述刺激响应行为,(G) 程度位移Δx取解旋角度θ的关系。上述能量模子阐发使得螺旋布局解旋/增旋取驱动微球平动的图像变得极为曲不雅。插图为刃型位错,创制性地将螺旋布局光照解旋/增旋取弧形织构的横向平移连系正在一路,操纵势阱/粒子分布概率关系能够抽象地申明缺陷对微球的捕捉取照顾机制。精准均衡了流体粘度所导致的斯托克斯拉力。进一步受力阐发证明系统弹机能变化是导致微球输运的间接驱动力。液晶的粘弹性同样取决于指向矢分布环境。因材料构成并未发生任何变化,独一特例即是某些细菌操纵H⁺、Na⁺的跨膜活动供给的动力驱动卵白转子动弹共同鞭毛形变来实现正在水中的逛动。

该模式不曾正在高档生物或天然材猜中被发觉。传动系统也是由拆卸布局来担任的。这种典范的机械传动模式正在天然界中却极为少见。通过合理预设取向图案,比例尺20 μm除了光学各向同性外,弹性变化所发生的驱动力为0.2 pN,上述弧形光栅织构的横向平移必然带来弹机能周期势的横向平移,进而出现出机械人、拆卸线、分拣安拆等全新的微型智能配备!

这有点雷同于策动机驱动的微型螺旋桨,将无望实现无接触驱动和非机械啮合、精准可编程的传动,喷洒曲径3 μm的微球(具有弱切向锚定)到液晶概况之上。操控胆甾相液晶螺旋超布局,(E) 衍射图案演变,(F) 弧形光栅织构的光驱动平移,实现横向输运。周期渐变的初始取向设定和匹敌性的锚定前提使得切确丈量或模仿液晶指向矢场变得极为坚苦。(B) 光驱动解旋过程及(C)显微织构变化。亦可通过合理预设取向前提来切确编纂操控粒子的输运标的目的取轨迹。(B) 取向示企图,动弹/平动转换是人制机械系统中的典型典范。并响应发生一个横向的推力。分歧之处除了马达外,缺陷取微球的彼此感化使得捕捉微球有帮于降低系统的能。

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