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  手性液晶結(jié)構(gòu)（膽甾型）在生命體中普遍存在。復(fù)刻其獨特的結(jié)構(gòu)和拓撲，構(gòu)筑多功能光學(xué)材料已成為當(dāng)前研究的熱點。纖維素納米晶（CNCs），一種生物質(zhì)衍生且具有天然手性的納米棒狀材料，能夠自發(fā)的組裝成左旋的膽甾型液晶，在信息加密、光學(xué)編碼、光學(xué)數(shù)據(jù)存儲等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。因為膠體液晶的液體流動屬性，構(gòu)建類似生物體中具有長程、穩(wěn)定的復(fù)雜膽甾型液晶結(jié)構(gòu)是極具挑戰(zhàn)的。因此，目前CNCs形成的膽甾型液晶結(jié)構(gòu)只有單一的膜形式。如何使人造膠體液晶在空間幾何中（球形幾何、圓柱幾何、不規(guī)則幾何等）獲得穩(wěn)定、連續(xù)的拓撲構(gòu)型是一個具有重要科學(xué)意義的課題。

  膽甾型液晶在球形幾何中擁有一個球?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致全向光學(xué)特性，可用于三維光學(xué)掃描和成像，激光諧振器等。與之相比，圓柱幾何擁有一個無限延伸的軸對稱空間，膽甾型液晶在其中可形成獨特的液晶構(gòu)型。但是，當(dāng)CNCs溶液的注射流進入凝固浴中，由于液-液界面的界面能趨于最小化，導(dǎo)致液體管斷裂形成液滴。在凝固浴中形成一個連續(xù)、平滑的液體管用于CNCs膽甾型液晶的自組裝是十分困難的。因此，膽甾型液晶在圓柱幾何中的組裝行為和光學(xué)特性仍未被系統(tǒng)的研究。

  該工作提出了一種CNCs在原位形成的凝膠鞘中自組裝的方法，大規(guī)模制備具有連續(xù)芯-鞘結(jié)構(gòu)的多層超液晶纖維。超液晶纖維擁有跨越多個尺度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)：長程的膽甾型液晶序（納米尺度）、三維拓撲構(gòu)型：徑向放射狀構(gòu)型和軸向麥穗狀構(gòu)型（微觀尺度）和連續(xù)的芯-鞘結(jié)構(gòu)（宏觀尺度）。海藻酸鈉和Ca²⁺在液-液快速凝膠化是超液晶纖維大規(guī)模制備的關(guān)鍵因素。超液晶纖維展現(xiàn)出CNCs納米棒的對齊穩(wěn)定性、膽甾型液晶構(gòu)型的可編程性，以及偏振光方向和強度的可控性。超液晶纖維在直線和圓偏振光學(xué)上具有前所未有的可調(diào)控性，提供了一個有吸引力的纖維狀材料平臺。相關(guān)工作近期以“Bioinspired Hierarchical Liquid-Metacrystal Fibers for Chiral Optics and Advanced Textiles”為題被 Advanced Functional Materials接收。

圖1. CNCs在原位形成的凝膠鞘中自組裝示意圖。

  1. 管狀幾何約束，促使CNCs膽甾型液晶序徑向組織，形成徑向放射狀拓撲構(gòu)型。

  2. 管狀幾何內(nèi)外流速差，驅(qū)動CNCs膽甾型液晶序沿著周線偏移（偏移角7度），形成軸向麥穗狀拓撲構(gòu)型。

圖2.CNCs膽甾型液晶在管狀幾何中構(gòu)型的偏振光學(xué)和掃描電子顯微鏡表征。

  3. 超液晶纖維對直線偏振光和圓偏振光可同時調(diào)控，調(diào)控模式為半同步/半異步。

  4. 超液晶纖維光學(xué)外觀有很強的機械響應(yīng)性，在拉伸和壓縮過程中，光學(xué)外觀展現(xiàn)出明顯得變化。

圖3.直線和圓偏振光控制以及機械-光學(xué)響應(yīng)性。

  5. 在干燥過程中，超液晶纖維的液晶構(gòu)型具有可編程性。按照特定要求可以隨意定制超液晶纖維的光學(xué)外觀。

  6. 干燥的超液晶纖維具有一定的機械強度和柔韌性，可以任意編織。通過不同的編織方法可實現(xiàn)對信息的儲存，作為先進織物可用于特定身份的識別。

圖4. 超液晶纖維干燥過程中液晶構(gòu)型的可編程性，以及作為先進織物在生活中的應(yīng)用場景。

  該工作通過一種簡單的微流控技術(shù)，原位形成水凝膠鞘作為保護罩，確保內(nèi)部CNCs快速、連續(xù)的自組裝，形成具有芯-鞘結(jié)構(gòu)的多層超液晶纖維。基于水凝膠鞘內(nèi)獨特液晶構(gòu)型，超液晶纖維展現(xiàn)出獨特的光學(xué)外觀，可作為一種響應(yīng)型的纖維狀材料用于手性光學(xué)傳感、偏振光加密、先進織物等領(lǐng)域。此外，該項研究首次系統(tǒng)的探索了膽甾型液晶在一個連續(xù)的微管道幾何中的自組裝行為和光學(xué)特性。這種自組裝策略對于其他類型的膠體液晶具有普適性。

  該課題得到了國家自然科學(xué)基金重點項目 (51733003)項目的資助與支持。復(fù)旦大學(xué)博士生劉艷軍為文章第一作者，通訊作者為武培怡教授。

  全文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202002193