Reversal in Thermally Driven Rotation of Chiral Liquid Crystal Droplets

热量通常被认为只是让房间变暖或烹饪食物的东西，是一种会消散并逐渐减弱的形式能量。然而，在某些流体的微观世界中，热量可以被引导去做一件更为令人惊讶的事情：它能让物体旋转。这种现象依赖于一类被称为手性液晶的特殊材料。这些物质流动起来像液体，但其分子排列具有特定的有序性，就像一群人都面向同一个方向一样。当这些分子具有“手性”（即具有像左手或右手那样的方向性）时，它们打破了自然界中的一种基本对称性。这种对称性的破缺使得一个简单的温度梯度——即一侧比另一侧更热的梯度——能够产生一种扭转力。几十年来，科学家们一直知道这种热量可以驱动持续的旋转，这一过程是以首先观察到这一现象的物理学家列曼（Lehmann）命名的。这种将低品位废热直接转化为机械运动的能力，为创造微型自驱动机器提供了诱人的前景，这些机器无需电池或复杂的外部控制即可运行。

然而，一个关键问题一直悬而未决：究竟是什么控制了旋转的方向？传统观点认为，旋转方向是由分子本身的“手性”或热流的方向决定的。如果分子是左手的，液滴就会向一个方向旋转；如果是右手的，则向另一个方向旋转。其设想是，热量只是在一个可预测的、不变的方向上推动分子。但最近的一项研究推翻了这一假设，揭示了一个更加复杂且可调控的现实。研究人员发现，这些液晶液滴的旋转方向并非固定不变。相反，仅仅通过改变液滴的大小或环境温度，就可以实现旋转方向的翻转和反转，即使分子和热源保持完全相同。

由早稻田大学和广岛大学研究人员领导的团队，通过使用悬浮在甘油（一种粘稠、透明的液体）中的手性液晶混合物微滴来探索这一行为。他们选择了一种被称为 5CB、6CB 或 7CB 的特定类型液晶，这些材料常用于显示技术，并加入少量手性掺杂剂以赋予其手性。为了确保液滴能够自由旋转而不粘附在玻璃容器上，他们对玻璃表面进行了高度亲水化处理，而液晶液滴则保持疏水性。这种设置使液滴能够漂浮在容器顶部，仅与玻璃接触一个点，从而有效地使其“悬浮”。通过加热容器顶部并冷却底部，他们创造了一个稳定的垂直温度梯度。

当他们在显微镜下观察这些漂浮的液滴时，看到了意想不到的现象。液滴在仅由温差驱动的情况下开始持续旋转。为了确认这是整个液滴的真实旋转运动，而非仅仅是内部流体的旋涡或表面效应，研究人员在液体中加入了微小的塑料颗粒。他们观察到这些颗粒随着液滴表面一起移动，证明了整个液滴作为一个固体对象在旋转。这证实了热量正直接转化为机械功。

真正的惊喜出现在研究人员改变液滴尺寸时。他们发现，旋转方向完全取决于液滴的半径。较大的液滴向一个方向旋转，而较小的液滴则向完全相反的方向旋转。存在一个特定的“切换半径”，在此半径处，旋转会停止然后反转。对于他们测试的材料，这个临界尺寸约为 10 微米。一个略大于此尺寸的液滴会进行逆时针旋转，而一个略小一点的液滴则会进行顺时针旋转。尽管内部分子是相同的，且温度梯度没有改变，这种反转依然发生了。

研究人员还测试了改变整个系统温度会发生什么。他们发现，只要液滴接近那个临界切换尺寸，只需通过加热或冷却环境，就能改变旋转方向。一个在较低温度下进行逆时针旋转的液滴，在温度升高后会切换到顺时针旋转。这种温度依赖性与分子的“有序度”有关。在液晶中，分子并非完美排列；它们具有一种被称为标量序参数的排列程度。随着温度升高，热运动会导致分子变得不再那么有序。研究表明，这种分子有序度的变化改变了热量产生的内部力量，最终翻转了扭转力的符号，从而使旋转反转。

为了理解为什么会发生这种情况，团队观察了液滴的内部结构。液滴并非均匀的；它们包含一种带有中心缺陷（即分子有序度破裂的线条）的复杂分子排列。研究人员提出，热量在液滴内产生了两种相互竞争的扭转力。一种力量来自手性液晶的主体部分，即液滴的主体；另一种力量则来自中心的缺陷线。这两种力量作用方向相反。在一个大的液滴中，主体体积占主导地位，因此来自主体的力量胜出，液滴向一个方向旋转。在一个小的液滴中，中心缺陷线所占的体积比例较大，因此其相反的力量胜出，液滴向另一个方向旋转。温度的变化通过改变分子的排列程度来改变这些力量的强度，从而改变平衡并导致旋转的反转。

研究人员还测试了其他理论是否可以解释这种行为。他们检查了一个被称为 Akopyan–Zel'dovich 效应的概念，该效应认为分子取向的梯度可以驱动旋转。然而，他们的分析表明，该效应无法解释观察到的反转现象，并且在这些条件下，该效应实际上可能被热力学定律所禁止。相反，数据强烈支持了传统的热 Leslie 效应的一个扩展版本，该效应描述了热量如何在手性流体中产生扭矩。关键的洞察在于，这种扭矩的强度和方向并不是固定的常数，而是取决于标量序参数。随着温度的变化，分子有序度的改变，热量与运动之间的耦合关系也随之改变，从而允许对旋转方向进行调节。

这一发现改变了科学家看待热量与运动在软物质中关系的视角。此前，热机械耦合被视为一种由化学组成和分子手性决定的材料固定属性。这项研究表明，它实际上是一种依赖于材料状态的涌现属性。通过控制液滴的大小或环境温度，人们可以在不改变材料本身的情况下控制旋转方向。这表明，标量序参数——即分子的排列程度——不仅仅是描述材料状态的一个被动参数，它还是一个主动的设计参数。它可以被用来编程软物质的行为，从而制造出能根据环境改变运动方式的微型机器。

这一发现的影响超出了实验室范围。它为收集低品位热能提供了一个新的框架，这种能量在我们的环境中大量存在，但难以利用。通过设计能够将微小的温差转化为受控机械运动的软材料，制造出无需外部电源即可运行的自主微型执行器或运输系统将成为可能。通过调节温度或尺寸即可改变运动方向的能力，为开发能够响应周围环境的自适应系统开辟了新的可能性。这项研究证明，热驱动运动的物理机制比此前认为的更加丰富且更具可控性，它将简单的温度梯度变成了一个用于工程化未来软体机器人和能量转换的多功能工具。