近日，中国科学技术大学教授彭晨晖团队和香港科技大学教授张锐团队合作，以液晶为研究体系，解析了具有不同拓扑结构的向错线和胶体颗粒形成胶体纠缠结构的机制，展示了拓扑结构的非平衡态相互转换可激发胶体纠缠结构的手性变化，阐明了利用向错线的拓扑和几何特性实现胶体纠缠结构集体手性转换的物理机制。日前，相关研究成果发表于美国《国家科学院院刊》。

拓扑纠缠是理解固体系统中拓扑序的关键。在软物质凝聚态系统特别是液晶体系中，拓扑纠缠以具有三维拓扑结构的向错线缠绕胶体颗粒的形式存在。驱动非平衡态拓扑纠缠并实现其可重构自组装，一直是凝聚态物理领域的巨大挑战。

在前期研究工作的基础上，研究团队通过在向列相液晶中引入两种不兼容的拓扑模式，制备了胶体纠缠结构。胶体纠缠的形成机制源于向错线拓扑结构与胶体拓扑结构的耦合。在没有外部刺激的情况下，非手性向列相液晶中可随机产生两种不同手性的胶体纠缠结构。然而，向错线在光驱动至非平衡状态时，胶体纠缠结构的重构得以实现。具体来说，向错线中拓扑结构的转变诱导胶体纠缠结构手性的可控转换。研究团队还实现了胶体纠缠的合并和分裂等多种集体行为。手性转换表现为胶体自组装的集体旋转的“多米诺效应”。此外，通过控制向错线网络的时空演化，他们还实现了一种复杂的胶体纠缠双螺旋结构。

通过深入理解拓扑纠缠的形成和重构机制，研究人员能够精确控制材料的微观结构，从而实现对其宏观性能的调控。该工作为设计智能胶体复合材料开辟了新方向。

相关论文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.2402395121

（原载于《中国科学报》 2024-09-10 第1版 要闻）