电场驱动下向列相液晶中耗散型指向子的研究

耗散型液晶孤子（dissipative soliton），即“指向子（director）”，是指当一个稳定均匀的物理系统在外界驱动作用下，局部产生的一个稳定的扰动。耗散型孤子的稳定性依赖于外界驱动的强度，当驱动强度小于一定阈值时，它将无法稳定并消失。近些年，有许多不同形式的耗散型孤子在液晶中被发现并报导，其中尤其以指向子的报导最为引人注目。

2018年，李炳祥等人发现在外界电场驱动下，向列相液晶中会产生许多快速运动的“粒子”。当关闭电场或当所加电场的幅值小于一定阈值时，这些“粒子”便会消失不见。经过研究，他们认为这些所谓的“粒子”其实是一种具有三维结构的耗散型孤子，并将其命名为“指向子”或“指向矢子弹（director bullet）”。这类所谓的指向子其实是向列相液晶在电场作用下产生的局部的稳定的指向矢形变。如图1a所示，向列相液晶被限制在一个均匀取向的液晶盒中。在液晶盒上施加有一个垂直于液晶盒表面的电场。由于这边所用的向列相液晶材料的介电各向异性是负的（Δε<0），在指向子的外部，指向矢均匀地沿着液晶盒子取向层的方向排列。在指向子内部，由于挠曲电效应，指向矢随着外界电场的频率而上下摆动。这种周期性的指向矢摆动会产生流体，一旦指向子的左右或前后的镜面对称被打破，这种流体便会驱动指向子运动（图1b）。根据李炳祥等人的报导，这种指向子可以以超过1000微米/秒的速度在向列相液晶中运动。在运动中，指向子之间会发生碰撞。他们发现在碰撞中，指向子会如同波一般穿过彼此的身体并在碰撞后恢复碰撞前的结构和运动。这一现象其实早在1997年便被H. R. Brand等人所报道过。然而，可能是由于当时表征技术手段的限制，Brand等人并未对此现象进行深入的研究，所以这一现象在当时并没有引起学界过多的关注。

在这个实验中，作者用到了（-，-）型的液晶，即该液晶的介电和导电各项异性都是负的（Δε<0，Δσ<0）。根据经典的”Carr-Helfrich“模型，电致对流效应是由于用于稳定指向矢初始排列的介电力矩和用于打破初始指向矢排列的导电力矩之间达到一个微妙的平衡所致，这通常需要液晶材料有一个负性的介电各向异性和一个正性的导电各向异性 （-，+）。然而这边，由于液晶的介电和导电各向异性都是负的（-，-），这就导致介电和导电力矩都将对液晶指向矢的初始排列起到一个稳定的作用，从而抑制电致对流效应的产生。另一方面，根据作者等人的研究发现，在指向子的内部，指向矢会随着外界电场的频率而摆动，这使作者认为指向子的产生很大原因是由于挠曲电效应。

图2：5CB中的指向子。（a）指向子的偏光显微镜图。（b）指向子内液晶分子结构示意图。（c）指向子内部的穿透光强分布图以及其中间层指向矢结构图。

图源：Soft Matter 2020, 16, 5325。Fig. 2 Directrons in 5CB. (a) The microscopy of directrons. (b) the schematic diagram of the director field within directrons. (c) The color map of the transmitted light intensity and the director field of the directrons.

此外，另一项由I. DIerking实验室所进行的研究发现，指向子甚至能够在（+，+）型向列相液晶中产生并稳定存在 （图2），这一发现完全超出了之前标准模型（the standard model）的预测。在这项研究中，作者用到了在实验室中最常用到的向列相液晶5CB。作者将5CB封装在一个平行配向的液晶盒中。与以往实验不同的是，这边作者用到了光取向技术。这一技术给液晶提供了一个较弱的锚定能。当在液晶盒上施加一个垂直于其表面的低频交流电场后，大量的指向子就被激发出来了。这些指向子的动态行为与李炳祥等人报导的指向子十分相似，它们可以以较快的速度在向列相液晶中传播并相互碰撞。通过改变所加电场的频率和幅值可以对这些指向子的速度和运动方向进行控制。通常，对于像5CB这样具有很大的正性的介电和导电各项异性的液晶，电湍流（electro-hydrodynamics）所产生的不稳定性会被弗里迪里克斯效应（Freedericksz transition）所抑制。而对于在5CB中产生指向子这一现象的原因，作者给出的解释是由于光取向所提供的对液晶分子的锚定能较弱以及光取向层所用到的材料在实验中会逐渐溶解到液晶中并产生大量的离子，这些离子会在外界电场的作用下运动从而在液晶中产生各向同性流（isotropic flows）。由于较弱的锚定能，这些离子流会打破弗里迪里克斯效应所提供的稳定态，从而产生指向子。

指向子并不是只有在非手性向列相液晶中可以产生，I. Dierking等人发现指向子也可以在（-，+）型和（+，+）型的胆甾相液晶中产生。在实验中，作者通过在非手性的向列相液晶中掺杂手性剂的方式制备了不同螺距的胆甾相液晶。这些液晶被封装进了经过光取向处理的平行取向的液晶盒中。施加一个垂直于液晶盒表面的电场，当电场的强度超过一定的阈值时，指向子便出现了。作者发现，在非手性的向列相液晶中，指向子呈现出“蝴蝶”般的形状（图3a），而在胆甾相液晶中，指向子则呈现出“子弹”形结构（图3b）。但相同的是，无论是在手性或非手性的液晶中，通过调节所加电场的频率和幅值，指向子的速度和方向都可以被控制。有趣的是，在非手性的向列相液晶中，当两个朝着相反方向运动的指向子碰撞时，它们会像波一般相互穿过对方。然而，在胆甾相液晶中，指向子在相互碰撞中既可以像波一样相互穿透（图3c），也可以表现得如同真实粒子那般在碰撞后反弹（图3d）。此外，作者还展示了通过图案化光取向技术，可以实现对指向子运动轨迹的控制（图3e）以及利用指向子来实现粒子传输（图3f）。

除了对指向子个体的产生和运动进行研究，I. Dierking等人还对指向子的群体运动展开了研究。从鱼群和鸟类的运动，到大型哺乳动物，如角马等的迁徙，生物世界复杂多样的群体运动一直深深地吸引着科学家们前赴后继地去探索，以求理解其中地奥秘。然而，想要通过不断的追踪和观察类似于鸟群、鱼群这样大范围的动物群体来对群体运动进行定量的研究可谓是非常困难的一件事。因此，在实验室内，科学家们提出了许多不同种类的微型实验体系来模拟动物的群体运动，例如细菌群，电场或磁场驱动的粒子群等等。然而，这些系统往往需要较为复杂的制备或处理工艺。为了解决这一难点，I. Dierking等人提出利用指向子群来对群体运动进行研究（图4）。在这项研究中，作者展示了在电场驱动下，成百上千的指向子被激发出来，并如活性粒子般不断地相互碰撞和运动。这些指向子刚开始呈现出无规则的运动，但是随着时间的推移，它们之间不断地相互作用，最终同步化并自组装成不同大小的指向子群。在每一个群中，指向子们以相同地速度朝着同一个方向运动。但群与群之间的运动却并没有关联性，有时两个朝着不同方向的指向子群甚至会相撞从而合并成一个更大的群。此外，作者还展示了通过调控所施加电场的频率和强度，指向子群会展现出各式各样不同的群体运动。

目前，对于指向子和其他类型的耗散型液晶孤子的研究还处于初期阶段，有许多问题仍急待解决。例如，对于指向子的产生机理目前仍缺乏令人信服的理论解释。Pikin等人曾提出过电子注入是产生指向子的主要原因。可是，根据以往的研究，电子注入往往只会在直流或非常低频率的交流电场下发生。另外，根据目前的实验研究，作者认为指向子的产生与液晶中离子的运动以及挠曲电效应有着紧密的联系。为了彻底理解指向子产生的机制，更多更深入的理论研究是必不可少的。此外，对于指向子的结构转换及动态行为的操控也是一个非常热门的领域。就在最近，一项由美国康奈尔大学N.L.Abbott课题组所发表的论文揭示，通过改变液晶盒表面锚定层的化学性质可以实现对指向子运动行为的控制。另一方面，目前为止大多数对指向子的报道还集中在向列相液晶中。这就会让人感到好奇，其它液晶相，例如近晶相或近期受到广泛关注的铁电向列相中是否也可以产生指向子呢？I. DIerking等人就这一问题曾展开过研究。他们发现在电场驱动下，近晶相液晶中会产生一种“天鹅尾孤子”，其运动方式与指向子十分相似。这一研究或许会为人们在其他液晶相中寻找耗散型孤子提供提示。最后，指向子还具有许多潜在的应用价值，例如微米或纳米级别的粒子传输，作为对群体运动研究的物理模型，对光场进行调控等等。

综上所述，本文介绍了近几年对耗散型液晶孤子，即指向子的最新实验研究。分别对非手性和手性向列相液晶中指向子的产生，结构以及动态行为进行了讨论。此外，本文还介绍了指向子在群体运动和非平衡态相变系统中的潜在应用。

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编辑：陆定辞