Defekter i flydende krystaller fungerer som guider i små oceaner, styre partikeltrafik

"Levende" flydende krystaller kombinerer egenskaberne af menneskeskabte flydende krystaller med træk ved svømmebakterier. Forskere byggede en nøjagtig model af, hvordan krystallerne styrer bevægelsen, transport og placering af svømmebakterier. Modellen kan også simulere, hvordan andre partikler opfører sig i den levende krystal. Nu, forskere kan kombinere modellen med on-demand syntese og evnen til at guide defekter, der leder bakterierne eller partiklerne. Resultatet? Dette arbejde kan føre til selvhelende og formskiftende materialer. Materialerne kunne håndtere komplekse processer, såsom at producere strøm.

Denne opdagelse kan føre til design og syntese af nye selvhelbredende materialer ved at kontrollere defekter i levende krystaller. Også, dette arbejde udvider de nødvendige værktøjer til, en dag, skabe selvregulerende "maskiner". Disse maskiner kan tilpasse eksisterende komponenter til forskellige formål efter behov eller reagere på stress uden at stoppe. Endelig, dette arbejde tilføjer forskernes viden om systemer uden for ligevægt, som er involveret i alt fra energiproduktion til oprydning af affaldspladser.

Fugleflokke, fiskeskoler og selvkørende væskeblandinger, der i fællesskab organiserer og bevæger sig som reaktion på interne eller eksterne signaler, betragtes alle som aktive stoffer. En ny klasse af aktivt stof, kendt som "levende" flydende krystaller, bygge bro over egenskaberne for livløse og levende materialer ved at kombinere bakteriesvømmere og giftfri flydende krystaller. Topologiske defekter i disse krystaller spiller en kritisk rolle. Defekterne styrer, hvordan krystallerne samles, og hvordan bakterierne transporteres. Håndtering af disse defekters udseende og placering er en nyttig håndtag til manipulation af komponenter og egenskaber.

Forskere fra Argonne National Laboratory opdagede et nyt koncept til transport og indfangning af mikroskopiske bakterier eller menneskeskabte svømmere i en flydende krystal. De udviklede en beregningsmodel, der præcist gengiver eksperimentelle observationer af dynamikken i topologiske defekter i flydende krystal. Modellen forudsiger også ophobning eller udvisning af svømmere fra kernerne af forskellige topologiske defekter. Fluorescerende bakterier blev suspenderet i en vandbaseret flydende krystal. Ligesom biltrafik på motorveje, bakterier svømmede langs bestemte retninger parallelt med orienteringen af ​​flydende krystalmolekyler. Topologiske defekter i de flydende krystaller fungerede effektivt som vejkryds langs disse motorveje, der styrede og koncentrerede eller frastødte svømmerne. Direkte relateret til topologien i defektkernen, bakterierne akkumuleres nær T-formede defekter, hvor flydende krystalorienterede strømlinjer (eller "motorveje") og svømmerbaner konvergerer. Ved Y-formede defekter, strømlinjer er organiseret, så svømmerne enten rejser væk fra kernen på egen hånd eller bliver afbøjet helt fra kernen. Akkumulering og udtømning af svømmere i kernerne ændrer defektdynamikken betydeligt. Vigtigere, modellen korrelerer nøjagtigt rekonfigurationen af ​​flydende krystal -strømlinjer og topologiske defektorienteringer sammen med ændringer i defektpopulation relateret til svømmerkoncentrationen.