在物理学研究中，孤子是一类能够在传播过程中保持形状、以近似恒定速度前进的特殊波动现象。自19世纪在运河中被首次观察以来，孤子已在光纤、软物质及生物相关体系等多种场景中受到关注。

《美国国家科学院院刊》（PNAS）近日发表的一项研究指出，研究人员可通过在材料内部“预设”应变场来引导并操控这类非线性波动，为在微观尺度上传递能量或信息提供了新的实验路径。

液晶单元中构建内建应变场

该研究以液晶为实验平台。液晶不仅用于显示技术，其分子取向还可在外部条件作用下被精细调控。研究团队来自纽约大学与康奈尔大学，他们制备了特殊液晶单元：在薄膜的两侧表面施加不同的分子排列边界条件——一侧促使分子“平躺”排列，另一侧则使分子“直立”取向。

在这种约束下，薄膜内部形成连续弯曲的分子取向分布，相当于在材料内部构建了内建的应变场。

高频交变电场触发“孤子子弹”并改变传播路径

研究人员在该受力液晶单元上施加高频交变电场后，观察到微小局域脉冲在液晶中传播。研究将其称为“孤子子弹”。这些“子弹”并非实体粒子，而是分子取向畸变随时间与空间传播的局域结构，并在运动过程中保持稳定形态。

研究团队指出，早期在分子取向较为均匀的液晶中，这类孤子通常沿单一方向传播；而在本次构建的受力环境中，孤子子弹不再沿单一直线前进，而是沿两条倾斜轨迹传播，形成材料内部的对角路线。研究还显示，通过调整电场频率，可对这些对角路径的方向进行调节。

弯曲电效应导致侧向推力

为解释上述现象，研究团队结合实验观测、理论模型与计算机模拟，提出关键机制与“弯曲电效应”有关，即电场与液晶中的机械畸变发生耦合。

研究称，由于背景分子取向已处于弯曲状态，电场对孤子结构不同区域产生不均匀扭矩。每个孤子包含两个“翼”状区域，其分子取向呈相反倾斜；在受力单元中，两翼强度出现不对称，从而产生侧向推力，使孤子沿倾斜方向稳定运动。

研究指向可控非线性信号传输

纽约大学坦顿工程学院执行院长、论文合著者胡安·德·帕布洛（Juan de Pablo）表示，在这类系统中，材料本身可成为引导非线性信号的方式；通过在液晶中设计应变，研究人员能够控制这些局域波的运动。

研究认为，这一结果体现了材料几何形状与内部应力对能量传递方式的塑造作用：在该实验中，预设的应变场使液晶薄膜成为孤子传播的“微观赛道”。研究还提到，相关控制能力可能为设计无需机械部件即可传递能量、粒子或信号的主动或自主材料提供思路。此前研究已显示，液晶中的孤子波可运输微小粒子，并可在流体界面触发液滴形成。

研究团队同时指出，尽管距离实际器件应用仍需时间，这项工作进一步凸显了液晶作为研究非线性物理现象的可调模型体系的价值。