物性物理学：液晶中の弾性コロイド単極子と再構成可能な自己集合
Nature 570, 7760 doi: 10.1038/s41586-019-1247-7
単極子型の静電相互作用は、生物現象や凝縮物質において至る所に存在するが、こうした相互作用は対イオンによって遮蔽されることが多く、引力から斥力に切り替えることはできない。コロイド科学の主要な目標は、原子集合や分子集合の多様性と長さスケールを模倣しそれらを上回るコロイド粒子を開発することだが、静電的に帯電した粒子は、表面電荷の符号を変えたり、単極子からより高次の多極子へ変わったりすることはできない。液晶コロイドでは、粒子間に弾性相互作用が生じて、粒子の周りのロッド状分子の長距離配置における弾性ひずみに伴う自由エネルギーが最小化される。双極子、四極子、十六極子のネマチックコロイドでは、そのような弾性ひずみの対称性は、静電多極子と原子の最も外側の占有電子殻の両方を模倣する。そうしたコロイドでは、弾性多極子の電気的スイッチングと磁気的スイッチング、自発的な変換、光学制御、そしてトポロジカル欠陥や表面境界条件との相互作用が実証されている。しかし、弾性単極子は、弾性トルクを生じさせるため、一様な状態や高次多極子状態へ緩和するはずであると長い間考えられてきた。今回我々は、強い弾性単極子モーメントと、周囲の光で誘起される光トルクによって均衡が取れた弾性トルクを持つネマチックコロイドを開発した。我々は、こうしたコロイド粒子の、非構造化光による単極子から四極子への再構成を実証する。これは、基底状態とさまざまな励起状態の間で原子を駆動することと似ている。我々は、弾性単極子の符号の切り替えが可能で、静電学的挙動とは違い、同符号に帯電した単極子は引き合うが、反対符号に帯電した単極子は反発し合うことを示す。さらに我々は、こうしたコロイド粒子の平衡から離れた動的集合についても実証する。この多様で意外な挙動は、励起状態の弾性単極子の原因となる光トルクと弾性トルクの均衡を考慮したモデルを使うことで説明され、光で駆動されるアクティブマター系や自己集合したナノマシンにつながる可能性がある。
