近日，我校物理与电子工程学院教师扎吾热·阿斯了汉（2026年6月博士毕业于中国科学技术大学物理学院）在国际顶级学术期刊《Nature Communications》发表研究论文，题为“Geometric programming of asymmetric colloidal dynamics via topological defect reconfiguration”，该论文于2026年8月6日正式在线发表。该研究由中国科学技术大学物理学院蒋景华研究员团队与我校物理与电子工程学院、香港科技大学张锐教授团队合作完成，在向列相液晶体系中，仅依靠几何重构完成胶体非对称动力学行为的可编程调控，无需时变外场与复杂反馈机制，建立起拓扑缺陷工程调控软物质非对称动力学的全新范式。

图. 基板平移诱导向错环几何重构以及胶体纠缠的非对称动力学行为

在生命体系中，手性、不对称性是实现各类生命功能的核心基础；而人工合成微纳系统想要实现定向运动、可控旋转等功能，传统方案大多依赖时变外场、复杂反馈控制系统，很难仅依靠材料本身静态结构实现稳定编码持续的非对称动力学行为。如何把不对称运动直接“写进”材料本征几何与拓扑结构之中，是软物质物理长期悬而未决的关键难题。

研究团队利用无掩模光取向光刻技术制备两套表面锚定图案液晶基板。通过将其中一块图案基板相对另一块做简单平移，原本圆形的三维向错环被重塑为偏心椭圆环，打破旋转对称性，使向错环上下两段形成截然不同的拓扑分布剖面。胶体颗粒缠绕在重构后的向错环上形成胶体纠缠结构，当胶体沿着闭环运动时，在向错环上下两个拓扑不同的半环上会产生方向相反的旋转，并且发生手性转换，上下半环之间存在固定的旋转数差值。该非对称效应来源于向错环几何曲率与局域拓扑特征耦合产生的几何相位偏移，相位偏移可以通过表面图案设计进行精确调控。

团队通过定制基板方位角图案，实现了旋转数差值可人为设定的胶体非对称旋转，获得不同整数差值的非对称动力学响应。进一步引入光驱动非平衡动力学，利用偏振光驱动向错线发生整体转动，将静态几何编码的非对称效应进一步放大，构建出运动轨迹完全内嵌于宿主静态材料几何结构的胶体微机器。实验结合朗道‑德‑吉尼斯理论数值模拟，完整揭示了几何形变‑拓扑剖面演化‑胶体动力学三者之间的内在物理联系。该方案既可以实现向错环完整周期旋转下的非对称行为，也可以实现上下区域向错线相向反向转动，得到偶数、奇数多种类型的旋转数差，极大拓展了胶体微运动的可编程空间。

该工作证明，仅依靠拓扑缺陷的几何重构就可以在静态材料中固化持续的动力学非对称性，不需要外部时变激励。该成果有望推动拓扑泵、微机器人平台、微流控混合器件以及活性物质逻辑单元的发展。相关原理也有望迁移至磁性体系、超导涡旋、活性物质等其他有序介质，为自主响应材料系统的设计开辟新思路。

论文共同第一作者为中国科学技术大学物理学院博士研究生张婧、Fernando Vergara和我校物理与电子工程学院教师扎吾热·阿斯了汉，中国科学技术大学物理学院蒋景华研究员为论文通讯作者。我校物理与电子工程学院为本工作第二完成单位。该研究得到国家自然科学基金、中国科学院百人计划、香港研究资助局等项目资助。

《Nature Communications》为《Nature》子刊，2025年度影响因子为18.1，是国际上具有重要影响力的综合性高水平学术期刊之一，涵盖生物医学、材料科学、人工智能、机械工程等多个交叉研究领域。

信息、图片来源：科学技术处、物理与电子工程学院     编审：宣传部