超结构信息

图片说明：实现高不对称因子圆偏振发光以及宽光谱圆偏振滤波片采访对象供图近日，华东理工大学化学与分子工程学院、材料生物学与动态化学教育部前沿科学中心朱为宏教授和物理学院郑致刚教授在光可重构的非均匀螺距软物质超结构研究中取得突破性进展。相关研究成果以“抗疲劳、光可逆、可重构的非均匀螺距软物质”为题，发表在国际权威期刊《美国化学会志》上。利用光，实现液晶软物质超结构的多自由度动态操控在信息光子学、分子工程与软凝聚态物理领域具有十分重要的科学与应用意义。然而，受限于传统光响应分子的热稳定性和抗疲劳度，实现软物质超结构的多自由度控制，进而对光谱信息的波段、带宽、反射率、偏振响应等实时操控仍然是一个具有挑战性的问题。液晶是典型的软物质光学超材料，具有优异的外场响应性、自组装性、光学各向异性和动态可控性，广泛应用于光信息处理、成像和显示。该研究工作基于液晶材料的独特性质，创造性地设计并引入一种具备宽吸收光谱的光控吸收剂，结合朱为宏课题组发展的内源手性光开关，实现对液晶螺旋超结构的多自由度（螺距和螺距分布）的可逆光操控。通过对液晶施加电场，可将液晶螺旋结构从站立螺旋转变为躺倒螺旋，从而实现对液晶螺旋超结构的多自由度操控。这种结构多自由度操控使光谱的波段、带宽、反射率、偏振响应的动态实时光控这个长期困扰学术和工程领域的难点问题得以解决。近年来，朱为宏教授与郑致刚教授充分发挥光控材料和光学各自的优势，在光调控液晶螺旋超结构等领域已取得一系列卓有成效的合作，为实现高质量圆偏振钙钛矿发光和器件化应用开辟了新思路。该研究工作得到了材料生物学与动态化学教育部前沿科学中心、国家自然科学基金基础科学中心项目、国家优秀青年科学基金等项目的支持。

以碳纤维增强树脂基(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)为代表的先进复合材料，具有高比强度和比刚度、良好的耐疲劳和耐腐蚀、易于大面积成型等优点，正越来越广泛地代替金属材料用作航空/天飞行器主承力构件。受制造工艺复杂、服役环境严苛影响，CFRP容易产生材料退化，甚至分层、纤维褶皱、孔洞等缺陷，威胁结构服役安全。超声无损检测技术是实现制造质量控制和服役性能评估的有效手段，但却面临材料形状复杂、多层结构、弹性各向异性因素共同作用所致超声传播行为复杂的挑战。现有超声检测技术主要是面向声学特性较为简单的各向同性均质材料，直接沿用至CFRP结构时不可避免地存在超声信号混叠、信噪比低、成像质量差等问题。针对以上难题，中国科学院深圳先进技术研究院郭师峰研究员团队开展了系列创新性研究工作，为航空/天复合材料结构无损检测与评估提供了理论和技术支撑，包括：(1)提出了利用相控阵超声和完全非接触激光超声原位测量超声群速度分布的新方法，解决了各向异性复合材料力学性能原位、高精度测量难题，为材料强度及其退化程度定量评估提供技术支撑；(2)建立了定量描述复杂形状、多层结构、弹性各向异性对CFRP声学特性影响规律的理论模型，为复杂超声传播行为理论分析和超声成像算法研究提供可靠的模型基础；(3)提出了基于计算机科学最短路径搜索算法的声线示踪新方法，解决了高分辨率超声成像算法聚焦法则高精度计算难题，大幅提升缺陷检测灵敏度和定位/量精度。上述研究工作为航空/天复合材料结构无损检测与评估提供了理论和技术支撑。2024年9月11-12日，仪器信息网组织召开第三届无损检测技术进展与应用网络会议，邀请领域内科研、应用等专家老师围绕无损检测理论研究、技术开发、仪器研制、相关应用等方面展开研讨。期间，郭师峰研究员团队中的曹欢庆副研究员将作大会报告《多层各向异性复杂型面航空/天复合材料结构相控阵超声成像检测》，介绍上述研究工作。本次会议于线上同步直播，欢迎材料、机械、工程、无损检测等相关科研工作者、工程技术人员、科技企业人士等报名，参会交流！关于第三届无损检测技术进展与应用网络会议无损检测，即在不破坏或不影响被检测对象内部组织与使用性能的前提下，利用射线、超声、电磁、红外、热成像等原理并结合仪器对物体进行缺陷、化学、物理参数检测的一种技术手段，被广泛应用于航空航天、交通运输、石油化工、特种设备、矿山机械、核电、冶金、考古、食品等各个领域。为推动我国无损检测技术发展和行业交流，促进新理论、新方法、新技术的推广与应用，仪器信息网定于2024年9月11-12日组织召开第三届无损检测技术进展与应用网络会议，邀请领域内科研、应用等专家老师围绕无损检测理论研究、技术开发、仪器研制、相关应用等方面展开研讨，欢迎大家参会交流。会议链接：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/ndt2024

【研究背景】二维（2D）范德华（vdW）层状材料是制造具有新特性的人工结构的理想平台，因其在电子器件、光电子学和量子计算等领域的潜在应用而备受关注。与传统的三维材料相比，这些材料具有轻质、高表面积和灵活性等优点。然而，在制造过程中，控制层间的扭转角度仍然是一个挑战，这直接影响了材料的性能和可调性。为了解决这一问题，美国威斯康星大学麦迪逊分校金松教授（通讯作者）的研究小组在二维材料的生长研究中取得了新进展。该团队提出了一种在非欧几里得表面上生长层状材料的通用模型，该模型基于螺旋位错的生长机制，实现了连续扭曲的多层超结构的构建。通过在纳米颗粒上生长超扭曲的二硫化钨（WS₂ ）和二硒化钨（WSe₂ ），他们成功获取了层间几何扭转与晶格扭转一致的现象，从而在原子层之间形成了莫尔超晶格。利用这一模型，该研究显著提高了所生长材料的性能，特别是在电子状态的调控和量子现象的实现方面。这项研究为二维材料的合成与应用提供了新的思路和方法，有望推动未来在超导、激子和调节Mott绝缘体等领域的进一步探索。【表征解读】本文通过扫描透射电子显微镜（STEM）等表征手段，深入探讨了非欧几里德扭曲超结构的特征，揭示了该超结构在层状材料生长中的重要性。研究发现，通过引入纳米颗粒作为凸起特征，可以在平面基底上生成连续扭曲的超结构，从而实现对层状材料如WS₂ 和WSe₂ 的调控。通过对这些现象的观察，进一步理解了其微观机制。针对超扭曲螺旋的形成现象，本文利用原子力显微镜（AFM）对不同层数的超扭曲螺旋进行了详细的表征，获得了每一层之间的扭转角度，并观察到扭曲角度在层数上呈线性增加的趋势。这一结果不仅验证了理论模型的预测，还为调控材料的力学和光学性能提供了依据。通过这种微观机理的表征，深入挖掘了超扭曲结构与基底形态之间的关系，揭示了其对材料特性的影响。此外，利用高角度环形暗场成像（HAADF）技术，本文观察到在扭曲超结构中形成的莫尔条纹，进一步证明了层与层之间的相对旋转。通过对PACBED数据集的分析，获得了与层数相关的扭转角度，并发现其与形态学测量结果高度相关。这些结果突出了层状材料在非欧几里德表面上的生长特性，为理解层状材料的光电性能奠定了基础。综上所述，通过STEM、AFM和HAADF等多种表征手段，深入分析了非欧几里德扭曲超结构的生长机制及其特征。研究显示，基于这种新型扭曲超结构的层状材料具有优异的性能，为未来开发新型光电器件提供了新的材料平台。【图文速递】图1：在欧几里得和非欧几里得表面上的三角螺旋位错说明扭曲过程。图2：在非欧几里得表面上的超扭曲螺旋的仿真和实验演示。图3：扭曲WS2螺旋的扭转角演变。图4：非欧几里得扭曲上部结构的STEM表征。【科学启迪】本文通过提出一种在非欧几里得表面上生长层状材料的模型，为二维材料的生长提供了新的视角与方法。这一研究揭示了螺旋位错的生长机制在构建连续扭曲的多层超结构中的重要性，表明通过控制生长条件可以实现层间的几何扭转。这种新型的生长方式不仅打破了传统在平坦基底上生长的局限，也为探索新型量子现象提供了平台。尤其是在实现超扭曲的二硫化钨（WS₂ ）和二硒化钨（WSe₂ ）等材料时，实验结果显示出晶体格扭转与几何扭转的高度一致性，这为开发新型莫尔超晶格材料奠定了基础。未来，基于这一研究，科学家们可以进一步探讨非欧几里得几何对其他材料生长的影响，拓宽二维材料的应用前景，并为量子计算、光电子学等领域的发展提供新思路。这一研究不仅是材料科学领域的一次突破，也为深入理解材料的生长机制与性质提供了新的研究方向。参考文献：Yuzhou Zhao et al. ,Supertwisted spirals of layered materials enabled by growth on non-Euclidean surfaces.Science370,442-445(2020).DOI:10.1126/science.abc4284