江雷院士、王京霞教授JACS：實現藍相液晶微結構精準操控

藍相液晶（BPLC）因其獨特的三維螺旋超結構和優異的光學性能，在集成光子學、激光顯示和光學加密等領域展現出巨大潛力。然而，如何實現高分辨率、單疇結構的BPLC微腔陣列的精確制備與相態調控，一直是制約其實際應用的關鍵難題。當前BPLC微圖案化技術往往難以兼顧分辨率與質量，且缺乏對相態行為的精準控制，限制了其在先進光學系統中的集成與應用。

近日，中國科學院理化技術研究所江雷院士、王京霞教授和岳鈺琛博士團隊提出了一種創新的“軟限制組裝”策略，成功實現了單疇藍色相液晶微腔陣列的高精度圖案化制備。該方法通過設計具有可控曲率的微槽結構，有效調控了BPLC的成核動力學與相變行為，首次實現了從BPII到BPI的精準相態控制，并以此為基礎構建了四模態光學加密系統，為光子通信與激光顯示等領域提供了新的技術思路。相關論文以“Curvature-Dependent Phase Manipulation of Monodomain Three-Dimensional Helical Superstructures from Soft Confined Assembly”為題，發表在

JACS

研究團隊首先通過軟模板法制備了具有精確微槽結構的PDMS模板，將BPLC混合物在高于清亮點溫度下填入微槽中。隨著系統冷卻，BPII晶核在微槽內優先成核并沿槽向定向生長（圖1a）。在此過程中，手性分子驅動液晶分子形成雙扭曲圓柱體，交聯劑填充缺陷并穩定BPLC結構，最終實現從簡單立方結構的BPII到體心立方結構的BPI的均勻轉變（圖1a?）。該方法適用于可聚合與非聚合體系，制備出的BPLC微腔陣列寬度僅為2微米，分辨率高達1270 ppi（圖1c-d）。通過反射光譜與Kossel衍射等手段證實，所得陣列為高度有序的單疇BPI結構，光學質量優異（圖1e-g）。

圖1：高分辨率單疇BPLC微腔陣列的制備與表征。（a）BPLC微腔陣列的制備流程示意圖；（b）含BPLC微腔陣列的柔性薄膜照片；（c）偏光顯微鏡圖像顯示均勻分布的BPI陣列；（d）掃描電鏡圖像顯示微腔寬度約為2微米；（e）聚合前后BPLC的光子帶隙反射峰位置對比；（f）Kossel衍射圖顯示BPI沿（110）方向的典型菱形圖案；（g）同步小角X射線散射圖案顯示有序的BPLC結構。

為深入理解BPLC在軟限制環境下的組裝機制，研究人員利用原位偏光顯微鏡、反射光譜和透射電鏡實時觀測了微槽內BPII的定向生長與相變過程（圖2）。結果顯示，BPLC優先在微槽的特定位置成核，隨后沿槽向延伸；隨著溫度降低，BPII逐漸轉變為BPI，反射峰從447 nm遷移至513 nm（圖2c）。通過系統優化表面浸潤性、冷卻速率和微槽尺寸等參數，可獲得缺陷極少、排列高度一致的單疇BPLC陣列（圖2e-f）。尤其值得注意的是，微槽寬度對BPLC的相變溫度具有顯著影響，寬度越小，相變溫度越高，且BPLC的穩定溫區變窄，說明幾何限制增強了BPLC的組裝難度與可控性（圖2f）。

圖2：通過SCA策略對單疇BPLC的原位觀測與優化。（a-b）BPLC陣列的示意圖與原位偏光顯微鏡圖像；（c）從各向同性態到BPII再到BPI的原位反射光譜；（d）BPLC相變過程的透射電鏡圖像；（e）通過調控表面浸潤性、冷卻速率和幾何尺寸優化BPLC陣列；（f）微槽寬度與BPLC相變溫度的關系。

在成功制備高質量微腔陣列的基礎上，團隊進一步展示了其在激光發射方面的優異性能。通過調節手性摻雜濃度，可精確調控光子帶隙在450–650 nm范圍內連續變化，并與不同熒光染料（如Coumarin-500、Coumarin-6和DCM）的發射峰匹配，實現高效光放大（圖3a-b）。在脈沖激光激發下，微腔陣列表現出低閾值（最低128 μJ/cm2）、窄線寬（＜0.1 nm）和高品質因數（Q因子達1.3×10?）的激光輸出（圖3c-d），顯著優于傳統膽甾相液晶激光器，展現出優越的光學限域與反饋能力。

圖3：BPLC微腔陣列的激光性能。（a）不同幾何形狀與帶隙的BPLC微腔陣列熒光顯微鏡圖像；（b）調諧光子帶隙與熒光染料發射峰匹配的反射與發射光譜；（c）不同泵浦能量下的激光發射光譜；（d）不同顏色激光的閾值與輸入-輸出曲線。

研究中最引人注目的發現是微槽曲率對BPLC相態行為的調控作用。如圖4所示，在相同溫度下，曲率較大的微槽（如字符“C”“P”）中BPLC更快完成從BPII到BPI的相變，而直槽（如“T”“I”）中相變進程顯著滯后。這一現象可通過經典成核理論解釋：曲率表面降低了達到臨界成核尺寸所需的表面自由能，從而顯著降低整體成核勢壘（圖4b-c）。通過設計不同曲率的微槽結構，可實現BPLC相態在空間上的程序化分布（圖4d），為動態光學調控提供了新手段。

圖4：不同曲率BPLC微腔的成核勢壘控制。（a）BPLC在“TIPC”圖案中的偏光顯微鏡圖像；（b）曲槽與直槽中BPLC相變過程示意圖；（c）曲率對成核勢壘的影響機制；（d）不同曲率微槽中BPLC的定向生長順序。

基于上述曲率依賴的相態控制，研究團隊成功構建了一種集幾何形狀、相態結構、結構色與激光信號于一體的四模態光學加密系統（圖5）。在加密狀態下，通過高溫控制，僅部分區域呈現BPII藍色結構色，其余區域保持暗態；降溫解密后，不同區域分別轉變為BPI綠色或保持BPII藍色，同時伴隨不同的激光發射行為，形成多重防偽與信息保護機制。該加密系統具有高安全性、獨特性和可重構性，為光學信息加密與安全傳輸提供了全新解決方案。

圖5：集成相態、結構色、幾何形狀與激光信號的四模態光學加密。（a）基于不同相態的“TIPC”信息加密模型；（b）加密與解密狀態的偏光顯微鏡圖像；（c）基于不同激光信號的加密模型；（d）加密與解密狀態下的激光發射信號。

該研究不僅建立了一種高效、高分辨率的單疇BPLC微腔陣列制備方法，還首次揭示了曲率對BPLC成核與相變的調控機制，實現了從材料制備到功能集成的跨越。通過四模態光學加密系統的成功演示，展現了BPLC在先進光子器件、激光顯示與信息安全領域的廣闊應用前景。此項工作為下一代集成光學系統的發展奠定了堅實基礎，也為軟物質螺旋超結構的可控組裝提供了新范式。