港科大团队研发新型活性液晶材料，初步实现活性软物质局部自我运算，为制备无芯片、无...
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“液晶已广泛应用于显示设备。但是，活性液晶的研究目前多数停留在实验室、草稿纸和幻灯片上，并没有明确的应用。本次工作提供了一种可能的应用场景，即使用活性液晶实现比较复杂的逻辑操作。我们将来可能会使用这类手段实现一些无芯片、无电路的智能软材料和智能软设备的设计，以实现高度复杂、可编程的材料响应。”香港科技大学物理系助理教授张锐表示。
研究中，张锐等人设计出一款能自发流动的活性液晶材料，从理论上找到了液晶有望像计算机一样执行运算操作的方案。
实现材料在局部的自我计算
作为当前学术界的研究热点，活性物质是指一类可将其他形式的能量、转化为组成成分的机械运动的非平衡态系统。比如，鱼群、鸟群、组织细胞、细胞骨架等生物系统都是活性物质。
近年来，科学家创造出了很多人工活性物质，活性胶体便是典型代表之一。集群行为是活性物质的最大特点：即微观颗粒的机械运动，可导致宏观上的大尺度协同行为。
一方面，研究活性物质有助于理解生命物质的物理规律；另一方面，活性物质的特性在新材料、新型驱动器等领域有着广泛应用前景。
目前，人们对活性物质的研究都是从单一现象或单一特性入手，以便研究其前因后果。但是生命体的行为往往非常复杂，由很多不同特性叠加在一起。与此同时，细胞生物可以做自主决策，对外部刺激做出正确响应从而趋利避害。
基于此，张锐希望能设计出像生命体一样足够智能的活性物质。如果能设计、并制备这种复杂而精细的活性物质，则可通过人工系统进一步窥探生命物质的机理，进而实现相关应用。
基于活物质和基于硅基半导体的逻辑操作不同。前者是软物质，具有柔性、更容易植入、融合甚至结合的特点；而后者是硬物质，在穿戴、植入等方面都有技术难点。
为此，他和同事尝试让不依赖半导体的活性物质实现逻辑运算。最终，他们对活性物质里的拓扑缺陷，实现了类似操纵半导体电子的结果。
拓扑缺陷是指材料中无法通过连续变换而消除的无序区域。在由杆状、或盘状分子形成的液晶中，分子具备长程关联的取向。而在拓扑缺陷中，这种取向序会局部消失。这是因为液晶独特的光学特性，让拓扑缺陷很容易被观察到。同时因其具有无序性，所以拓扑缺陷很容易捕捉和富集材料中的杂质。
近年来，很多研究利用拓扑缺陷来组装和输运系统中的纳米、或胶体粒子。作为活性物质的一种，活性液晶有很多种类例如细胞骨架高分子悬浮液、细胞组织、高浓度杆状细菌悬浮液和细菌-溶致液晶混合物等。
张锐注意到，这些活性液晶里的拓扑缺陷和晶体管里的电子有很多相似性。首先，活性液晶中的拓扑缺陷是一种准粒子，可在活性应力之下自发定向运动，类似于电子在电压梯度下的定向移动。
而拓扑缺陷的拓扑荷和电子的电荷相似，也满足（电）荷守恒，且都有“同号相斥、异号相吸”的相互作用。研究中，该团队围绕这种相似性，设计出一些基于液晶的活性拓扑缺陷的理想实验，在模拟中实现了拓扑缺陷的门、定向传导和放大等逻辑操作。
在未来，或可设计出更复杂的电路，以实现类似于计算机的功能。同时，该研究为未来基于活性物质的自主材料、软体机器人等复杂智能人工系统的设计奠定了科学基础。
审稿人认为，该工作不仅“有趣”，而且是“实现材料在局部的自我计算是一个重要和有前景的方向”。
此前，张锐在芝加哥大学分子工程系读书时，他所在的胡安·德巴勃罗（Juan de Pablo）题组，一直和该校物理系与分子工程学院的玛格丽特·加德尔（Margaret Gardel）组合作，因此本次研究主要基于肌动蛋白的活性液晶里的拓扑缺陷的特性。
而张锐所在课题组的合作者，又和斯坦福大学生物工程系教授泽夫·布莱恩特（Zev Bryant）组合作，研究如何让人工改造的肌球蛋白活性可以响应光照，进而通过光学图案、去控制活性应力的空间分布。
期间，张锐主要负责用理论和计算，借此研究拓扑缺陷在空间不均匀的活性应力下的自发运动行为。他说：“我有多年研究液晶流体力学的经验，凭借此开发出一套和实验结果非常吻合的并行计算工具。我们和实验人员的合作也非常成功，通过结合计算和实验发现，利用精心设计的光照图案，可以约束并控制拓扑缺陷的运动轨迹，甚至可以控制它们产生和湮灭的空间位置。”上面所说的这项研究论文，于 2021 年发表在 Nature Materials。
此后， 张锐的导师德巴勃罗教授问他和同事一个问题：拓扑缺陷和电子有一些相似之处，那么有没有可能通过拓扑缺陷，实现一些类似于电子在半导体里的逻辑运算？
于是，张锐和同事开始设计可能的活性应力图案来实现这一目的。他们利用活性应力图案能够束缚拓扑缺陷的特性，在一个理想化的微流装置中实现了对拓扑缺陷的逻辑操作。
这一设计主要依赖以下关键点：微流装置的表面需要锚定液晶的局部取向。因此，在其设计的系统中，在活性力图案的引导下，微流通道中会产生拓扑缺陷，并做出定向移动。
通过设计通道的连接方式和活性力图案，张锐实现了以下操作：其一，让+1/2 拓扑缺陷像电子一样在管道中传导；其二，设计一个门，可以控制+1/2 缺陷的通过与否；其三，设计一个十字路口，每当有缺陷通过时，另一垂直通道上的缺陷就无法通过，反之则可以通过；其四，设计一个复杂微流装置，如此就能让一个缺陷的移动产生多个新的缺陷，从而放大信号。
计算结果让合作成员“惊掉下巴”
张锐表示：“我在芝大的博士后导师胡安非常有领导力和创造力。他经常给我们讲一些新想法，但不是每个都能实现。同时，他也给我们尝试大胆想法的自由。所以，我们常在不同方向上尝试他给的思路。当然，失败多于成功。而这次工作，正是从失败点子里‘有幸逃生’的一个。我和同事一开始并不知道怎么下手，因为并不清楚如何在活性液晶中实现 PN 结。后来，我们放弃寻找和半导体完全一样的机制，而是从已有工具箱找解决问题的‘武器’。”
那段时间，张锐在图案化活性应力的计算，得到了合作者的实验证实。这让他坚定了用图案来实现逻辑操作的想法。
后经过多次尝试，终于做出一些漂亮结果。在离开芝加哥大学之前的最后一次组会上，张锐讲了他的计算结果。日后，他听说这让不少合作成员“惊掉下巴”。他们对张锐所在课题组的液晶工作一直有所耳闻，也深知液晶在理论和计算上的困难、以及实验的复杂，因此对研究成果的预期并不是很高。但是，张锐的计算结果大大超出想象。后来，投稿也比较顺利，经过一轮修改就被接受。
在和伊朗同事阿里·莫扎法里（Ali Mozaffari）的合作过程中，对方也对活性图案束缚拓扑缺陷产生了兴趣。于是，张锐建议他将两个会互相排斥的+1/2 缺陷限制在一个圆盘状的活性应力图案中，并对结果进行观察。
在随后的计算里，Ali 发现了大量有趣的动态行为，这些缺陷有时会沿着圆盘边缘游动，有时又会像桌球一样在圆盘边界上弹来弹去。甚至在一定参数范围内出现了如下现象：一个缺陷滑行，另一个缺陷反弹。
期间，张锐和对方一起分析和验证上述结果。为解释缺陷有时会滑行、有时会反弹的原因，张锐提出了一个等效自由能模型，最终对结果做以良好解释。这一工作的相关论文，发表于 2021 年的《物理评论快报》上。Ali 也借此结束了在芝加哥大学的博后经历，顺利找到一家大数据公司的不错工作。
张锐表示：“这些工作的主体都是在 2020 年 3 月美国疫情爆发之前做完的。疫情之前，我、Ali、以及另一位合作者经常一起讨论，很多想法都是在那时产生的，也因此结下了深厚友谊。随后学校关停，我也搬到香港，经过漫长的验证、手稿撰写、修改和回复审稿意见，这些工作逐渐一一浮出水面。”
这是一个系列研究，仍有后续工作要做。在模拟工作上，张锐博后导师的课题组的师弟师妹，正在微管实验中尝试达成类似的逻辑操作，同时张锐也在参与帮忙。
另外，在上一工作中他们主要研究的是二维系统。如今，张锐已经独立带组，目前他和学生也在尝试研究三维系统。
-End-
1、Zhang, R., Mozaffari, A., & de Pablo, J. J. (2022). Logic operations with active topological defects. Science advances, 8(8), eabg9060.
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