工学：トポロジカルコロイド
Nature 493, 7431 doi: 10.1038/nature11710
煙、霧、ゼリー、塗料、牛乳、シェービングクリームは、日常ありふれたコロイドの例であり、化学的に異なるホスト媒質中に微小粒子を分散させたソフトマターの一種である。コロイドは、自然界に豊富に存在し、科学技術分野でも結晶やガラスの動力学の直接プロービングから第三世代量子ドット太陽電池の作製まで、応用の重要性が高まっている。通常、自然界のコロイドの形状は、界面張力の最小化（例えば相分離中）やファセット結晶成長によって決まる。したがって、その表面は表面積最小の球か、角柱や不ぞろいな粒などのトポロジー的に等価な形状（すべて連続的に球に変形可能、つまり球と位相同型）をとる傾向がある。ドーナツ型DNA凝集体やさまざまなハンドル数の小胞が存在し、ソフトマターの欠陥はリングや結び目のような形状をとりうるが、コロイド系における粒子のトポロジーの役割は依然として調べられていない。今回我々は、さまざまなハンドル数、種数gが1〜5のコロイド粒子を作製し性質を調べた。これらのコロイド粒子を、いわゆる「配向子」に沿って自発的に整列する棒状分子からなる流体であるネマチック液晶に導入すると、粒子は、コロイドのトポロジーによって決まる三次元配向場とトポロジカル欠陥を誘起する。電場、光熱融解、レーザーピンセット技術によって、粒子誘起構造の間で立体配置の変化が起こるが、三次元非線形光学画像化から、トポロジカル量子数が保存され、粒子誘起欠陥の全量子数が、常にGauss–BonnetやPoincaré–Hopfの指数定理の予測に従うことが明らかになっている。これにより、三次元配向場におけるトポロジカル量子数の指定・加算の手順を確立して実験的に検証することが可能になる。我々の知見は、トポロジカルメモリーデバイスから、新種の自己集合、低次元トポロジーの実験的研究まで、コロイドと液晶の新たな応用の基礎を築くものである。
