华南师大周国富教授团队王耀教授课题组《Adv. Sci.》：电场响应金纳米双锥颗粒-向列相液晶自组织材料的构筑

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无机纳米粒子胶体在液晶中的自组织现象可用于新型软物质材料的设计与制备，在智能窗等领域已有重要的应用。然而，由于颗粒诱导缺陷和复杂的弹性介导相互作用的影响，颗粒形貌的使用被限制在纳米棒或纳米片上。本工作中所用的金纳米双锥颗粒（AuNPBs）通过种子生长法合成（Seed Mediated Growth Approach）, 尺寸约为70*35 nm。为了增加金纳米双锥颗粒在液晶中的稳定性，实验中使用巯基聚乙二醇mPEG-SH修饰纳米颗粒的表面（图1）。

图1 金纳米双锥颗粒的结构表征

修饰好的金纳米双锥颗粒掺杂进向列相液晶5cb后，得到浓度约为1 wt %的金纳米双锥颗粒-向列相液晶复合物。将所得到的复合材料通过毛细作用力填入制备好的ITO液晶盒中，以实现液晶材料的平行取向。液晶可以通过最小化自由能和排斥体积，借助多种超分子作用力对纳米材料进行组织，实现金纳米双锥颗粒与5cb的取向一致。双锥体颗粒在向列相液晶中定向排列，并以C₅旋转对称轴沿着液晶的指向矢取向（图2）。

图2 金纳米双锥颗粒在液晶中的取向与分散

基于金纳米双锥颗粒的偏光依赖表面等离子共振效应（Surface Plasmon Resonance）, 材料的消光性质表现出偏振依赖性及灵敏的电场响应性（图3-图5）。

图3 材料的偏光依赖性

图4 材料的电场响应行为

图5 FDTD 模拟的不同取向的金纳米双锥颗粒在不同偏光方向上的表面等离子共振（SPR）强度分布图

另一方面，利用电场调控材料中拓扑孤子-Heliknoton的运动，发现纳米双锥颗粒可以跟随拓扑结构在空间中进行重组，实现自图案化（图6）。这对三维光学超材料的制造和低对称性液晶及准晶体的研究提供了重要的理论和实验依据。

图6 电场调控纳米双锥颗粒在Heliknoton中的自组织行为

相关研究成果发表于国际期刊 《Advanced Science》 （影响因子：16.806）上，题为“Nematic Order, Plasmonic Switching and Self-patterning of Colloidal Gold Bipyramids” （DOI: 10.1002/advs.202102854）。课题组博士研究生麦智健为论文第一作者，王耀教授、周国富教授和美国科罗拉多大学博尔德分校（CU-Boulder）Ivan I. Smalyukh教授为论文共同通讯作者，华南师范大学为第一完成单位。

周国富教授团队青年拔尖引进人才王耀教授带领的先进信息材料（AIM）课题组近三年在光、电、气体和温度等响应型功能信息和智能传感材料研究方面取得了一系列重要突破，先后在《ACS Nano》、《Advanced Science》、《Advanced Functional Materials》、《ACS Applied Materials & Interfaces》、《ACS Sensors》等国际知名期刊上发表20余篇原创性学术论文，提高了我校在功能信息和智能传感材料领域的国际影响力。

本研究工作得到了国家自然科学基金、“111计划”、广东省光信息材料与技术重点实验室、广东省教育厅创新团队和广州市科技计划等项目的支持。

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https://doi.org/10.1002/advs.202102854

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