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工業(yè)社會隨處可見的轉(zhuǎn)動平動轉(zhuǎn)換在自然界為何如此稀缺？

轉(zhuǎn)動/平動轉(zhuǎn)換是人造機(jī)械系統(tǒng)中的典型范例。例如，發(fā)動機(jī)活塞的往復(fù)平動驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動，進(jìn)而推動車輛行駛。然而，這種經(jīng)典的機(jī)械傳動模式在自然界中卻極為少見。唯一特例便是某些細(xì)菌利用H?、Na?的跨膜運(yùn)動提供的動力驅(qū)動蛋白轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動配合鞭毛形變來實(shí)現(xiàn)在水中的自由游動。這有點(diǎn)類似于發(fā)動機(jī)驅(qū)動的微型螺旋槳，不同之處除了分子馬達(dá)外，傳動系統(tǒng)也是由分子組裝結(jié)構(gòu)來擔(dān)當(dāng)?shù)?。該模式未曾在高等生物或自然材料中被發(fā)現(xiàn)。假如能在活性自組裝體系中模擬上述刺激響應(yīng)行為，將有望實(shí)現(xiàn)無接觸驅(qū)動和非機(jī)械嚙合、精準(zhǔn)可編程的傳動，進(jìn)而涌現(xiàn)出機(jī)器人、裝配線、分揀裝置等全新的微型智能裝備。

是什么使得浮在液晶中的微球在光照下排起陣型集體起舞？

動物通過神經(jīng)信號刺激肌肉響應(yīng)做出各種動作。刺激變形的液晶彈性體被廣泛用來模擬翅膀的扇動，爬蟲的蠕動，肌肉的伸縮和關(guān)節(jié)的彎曲。這些運(yùn)動來源于刺激下材料不同側(cè)非對稱的收縮、膨脹或扭曲形變。向具有螺旋結(jié)構(gòu)特征的膽甾相液晶中摻入光響應(yīng)手性開關(guān)，光致分子異構(gòu)化或開閉環(huán)反應(yīng)會致使體系螺旋扭曲能變化，進(jìn)而驅(qū)動螺旋結(jié)構(gòu)解旋或增旋。將該材料懸涂成膜后，光照可驅(qū)動結(jié)構(gòu)整體演變并帶動懸浮粒子轉(zhuǎn)動。這提供了一種完美的光驅(qū)動分子馬達(dá)候選體系，但是模擬組裝微結(jié)構(gòu)“嚙合” 實(shí)現(xiàn)自由傳動仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

近日，南京大學(xué)胡偉教授、陸延青教授團(tuán)隊(duì)在手性液晶中人為誘導(dǎo)分子組裝構(gòu)建精密螺旋結(jié)構(gòu)，并通過光照刺激結(jié)構(gòu)整體增旋/解旋，模擬了細(xì)菌利用鞭毛螺旋式推進(jìn)自身在水中前行的運(yùn)動模式，實(shí)現(xiàn)了光照自驅(qū)動和分子自組裝結(jié)構(gòu)傳動的可編程執(zhí)行器，并驗(yàn)證了對負(fù)載微球的定制化二維運(yùn)動編程。

相關(guān)成果以 Programmable self-propelling actuators enabled by a dynamic helical medium 為題，于2021年8月6日在線發(fā)表在Science Advances。

研究團(tuán)隊(duì)通過寫入特定光偏振信息預(yù)設(shè)基板取向圖案，操控膽甾相液晶螺旋超結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造性地將螺旋結(jié)構(gòu)光照解旋/增旋與弧形織構(gòu)的橫向平移結(jié)合在一起，從而實(shí)現(xiàn)了高效的轉(zhuǎn)動-平動轉(zhuǎn)換。通過合理預(yù)設(shè)取向圖案，他們成功驗(yàn)證了懸浮微球的會聚、發(fā)散、定點(diǎn)聚集和軌道公轉(zhuǎn)等運(yùn)動模式。因材料組成并未發(fā)生任何變化，上述可編程執(zhí)行器功能的實(shí)現(xiàn)全賴特殊組裝結(jié)構(gòu)的引入。

圖 1. 可編程執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)微球 (A) 會聚，(B) 發(fā)散，(C) 定點(diǎn)聚集，(D) 軌道公轉(zhuǎn)。從左往右四列分別展示了不同的基板配向設(shè)定，微球散布起始狀態(tài)、移動過程和終態(tài)。比例尺50 μm

結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的提升如何賦予了材料新奇的屬性？

膽甾相液晶懸涂到均勻配向的基板上時，貼近基板的液晶分子跟隨配向?qū)诱T導(dǎo)取向，底部液晶自發(fā)形成螺旋結(jié)構(gòu)且螺旋軸朝向基板法向，液晶沿螺旋軸旋轉(zhuǎn)一周的距離稱為螺距p。頂部空氣界面誘導(dǎo)液晶垂直配向，上下對抗性的配向?qū)е乱壕П∧ろ敳繀^(qū)域產(chǎn)生橫向的周期性指向矢波動l，l通常數(shù)倍于p。這導(dǎo)致了一個與l相對映的相位延遲量波動，在偏光顯微鏡下呈現(xiàn)出周期性亮暗變化，形成一維光柵。光柵矢量方向取決于膜厚、體系手性和初始配向方向。其可以與表面配向方向呈任意夾角，且在光驅(qū)動過程中伴隨螺旋結(jié)構(gòu)解旋/增旋連續(xù)變化，光柵周期l也相應(yīng)增大/縮小。

圖 2. 均勻取向半開放膽甾相液晶薄膜 (A) 螺旋結(jié)構(gòu)示意圖及周期性相位變化，(B) 光驅(qū)動解旋過程及（C）顯微織構(gòu)變化。比例尺20 μm

當(dāng)預(yù)設(shè)取向變?yōu)橹芷谛驭B續(xù)漸變時，對映表面取向周期性呈現(xiàn)展曲（S）和彎曲（B）分布，顯微織構(gòu)也相應(yīng)彎曲變?yōu)榛⌒喂鈻趴棙?gòu)?；⌒喂鈻胖芷谟扇∠蛑芷讦珱Q定，弧型的寬為l。相鄰弧形光柵區(qū)域會匯集大量的叉形缺陷。在藍(lán)紫光驅(qū)動下，螺旋結(jié)構(gòu)逆時針解旋、弧型寬度逐漸變大、弧形光柵織構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有序度逐漸變差。這可通過衍射圖案的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化得到驗(yàn)證。因?yàn)橐壕е话l(fā)生原位置轉(zhuǎn)動，并不發(fā)生流動，這就等效為弧型光柵織構(gòu)發(fā)生橫向平移。而進(jìn)一步研究表明，螺旋結(jié)構(gòu)每解旋半個螺距，局域光柵條紋相應(yīng)旋轉(zhuǎn)180°，弧形光柵織構(gòu)平移一個周期Λ。這就將螺旋結(jié)構(gòu)光照解旋/增旋與弧形光柵織構(gòu)的橫向平移結(jié)合到了一起。另外，織構(gòu)的平移方向可以通過改變?nèi)∠驁D案的漸變旋轉(zhuǎn)方向或輻照光波長來實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

圖 3. 弧形光柵織構(gòu)的光驅(qū)動演變 (A) 圖案化取向的螺旋超結(jié)構(gòu)示意圖，(B) 取向示意圖，(C) 周期性拱形光柵織構(gòu)，插圖為刃型位錯，(D) l與曝光時間的關(guān)系，(E) 衍射圖案演變，(F) 弧形光柵織構(gòu)的光驅(qū)動平移，(G) 水平位移Δx與解旋角度θ的關(guān)系。比例尺50 μm

除了光學(xué)各向異性外，液晶的粘彈性同樣取決于指向矢分布情況。上述弧形光柵織構(gòu)的橫向平移必然帶來彈性能周期勢的橫向平移，并相應(yīng)產(chǎn)生一個橫向的推力。噴灑直徑3 μm的微球（具有弱切向錨定）到液晶表面之上。它們傾向于被臨近弧形光柵間的刃型位錯捕獲，進(jìn)而跟隨光柵織構(gòu)同步平動，實(shí)現(xiàn)橫向輸運(yùn)。其運(yùn)動軌跡具有出色的方向選擇性，正交方向位移量的對比度在20以上。缺陷與微球的相互作用使得捕獲微球有助于降低系統(tǒng)的自由能。利用勢阱/粒子分布概率關(guān)系可以形象地說明缺陷對微球的捕獲與攜帶機(jī)制。進(jìn)一步受力分析證明體系彈性能變化是導(dǎo)致微球輸運(yùn)的直接驅(qū)動力。在15 μm/min的移動速率下，彈性變化所產(chǎn)生的驅(qū)動力為0.2 pN，精準(zhǔn)平衡了流體粘度所導(dǎo)致的斯托克斯拉力。周期漸變的初始取向設(shè)定和對抗性的錨定條件使得精確測量或模擬液晶指向矢場變得極為困難。幸運(yùn)的是，上述能量模型分析使得螺旋結(jié)構(gòu)解旋/增旋與驅(qū)動微球平動的圖像變得極為直觀?？v使跳過指向矢場的分析討論，亦可通過合理預(yù)設(shè)取向條件來精確編輯操控粒子的輸運(yùn)方向與軌跡。

圖 4. 轉(zhuǎn)動-平動轉(zhuǎn)換 (A) 微球粒子單向輸運(yùn)，比例尺50 μm，(B) 橫向Δx和縱向Δy位移與旋轉(zhuǎn)角度θ的關(guān)系，(C) 光驅(qū)動微球輸運(yùn)的勢能分析。

微納粒子輸運(yùn)、分揀與裝配，智能材料能走多遠(yuǎn)？

該研究中弧形光柵織構(gòu)的平移反映的是體系內(nèi)部液晶指向矢的集體重構(gòu)與演變，叉形位錯跟隨織構(gòu)平移并攜帶粒子平動，從而成功將螺旋結(jié)構(gòu)解旋/增旋轉(zhuǎn)化為負(fù)載粒子的正反向平動，完美匹配了前述細(xì)菌依托分子馬達(dá)和分子組裝嚙合機(jī)構(gòu)的自驅(qū)動、自傳動的運(yùn)動模式。平動軌跡與方向可通過預(yù)設(shè)取向結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定制化，這為可編程執(zhí)行器的設(shè)計開發(fā)提供了一種全新的策略。驅(qū)動光功率密度約為100 μW/cm2，僅為普通光鑷的1/500，大幅降低了樣品發(fā)生光損傷的可能。該執(zhí)行器適用于大批量粒子的并行輸運(yùn)，基于體系對粒子尺寸、形狀和表面性質(zhì)的敏感性，還可實(shí)現(xiàn)對粒子的分揀。結(jié)合時序和空間的分步多元外場控制，有望實(shí)現(xiàn)對粒子疏運(yùn)的實(shí)時調(diào)和多材質(zhì)的定點(diǎn)裝配。因?yàn)槿毕輵B(tài)的拓?fù)浔Ｗo(hù)，讓具有魯棒性的三維粒子疏運(yùn)也值得期待。該工作可望激發(fā)功能材料和智能機(jī)器人的全新設(shè)計，在微納智能制造、光流控、生物傳感、片上診療等領(lǐng)域展現(xiàn)應(yīng)用價值。

論文信息：

Ling-Ling Ma, Chao Liu, Sai-Bo Wu，et al. Programmable self-propelling actuators enabled by a dynamic helical medium. Sci. Adv. 2021, 7(32): eabh3505

南京大學(xué)為論文唯一單位，馬玲玲副研究員和劉超碩士為共同第一作者，胡偉教授和陸延青教授為共同通訊作者。吳賽博、陳鵬副教授、陳全明、錢嘉欣、葛士軍副研究員、武遠(yuǎn)航對本文亦有重要貢獻(xiàn)。本研究受國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、江蘇省基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助完成。

論文地址：

DOI: 10.1126/sciadv.abh3505

https://advances.sciencemag.org/content/7/32/eabh3505

編輯 | 趙陽

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