Forskere udnytter bakterier for at skabe levende flydende krystaller

Flydende krystaller bruges meget i teknologier som f.eks. som manipulerer deres orientering for at vise farver på tværs af spektret.

I traditionelle displays, flydende krystaller er stationære og ensartede, fri for fejl. Men den stilhed kan ændres ved at tilføje bakterier til krystallerne, skabe det, forskere og ingeniører kalder "levende flydende krystaller":materialer, der kan virke autonomt. Når bakterier svømmer rundt om den flydende krystal, de genererer "defekter", der kan bruges til tekniske formål.

Forskere ved Pritzker School of Molecular Engineering ved University of Chicago, sammen med kolleger på UChicago-tilknyttede Argonne National Laboratory, har vist, hvordan dette materiale bliver aktivt og uordentligt gennem denne proces, skabe blomstermønstre fra de bøjede ustabilitet, der til sidst fører til skabelse af defekter. Men resultaterne er ikke kun æstetiske:De er et vigtigt skridt i retning af at forstå, hvordan man i sidste ende styrer dette materiale til nye teknologier, der er afhængige af defektdannelse.

"Oprettelsen af ​​disse ustabilitet har været et emne for stor debat, og nu forstår vi virkelig, hvordan denne proces fungerer, hvilket i sidste ende vil føre til at kontrollere, hvordan dette materiale opfører sig, "sagde Juan de Pablo, Liew-familieprofessoren i molekylær teknik og medforfatter af forskningen, for nylig offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgang X .

Forståelse af mønsterdannelse

Levende flydende krystaller er et eksempel på materialer, der kan virke alene. I naturen, disse materialer er ansvarlige for cellers motilitet. Proteiner i cellerne "går" langs overfladen af ​​polymermolekyler og udøver en kraft, der forårsager forskydning og bevægelse.

"Der er stor interesse for disse materialer, fordi de er komplekse, smuk og relevant, "sagde de Pablo, vicepræsident for nationale laboratorier. "Men vi vil forstå, hvordan bevægelse og transport genereres i dem."

I laboratoriet, en måde at skabe et autonomt materiale som dette er at kombinere en flydende krystal med bakterier, som derefter forårsager uorden blandt de flydende krystaller, når de bevæger sig.

For at studere, hvordan materialet bliver aktivt, forskerne kombinerede svømmebakterier med en flydende krystal i to formater:nær bunden af ​​en dråbe, der er ophængt fra en nål fastgjort til et glasskred, og i en tynd, fritstående film.

Selvom bakterierne og flydende krystal oprindeligt blev justeret gennem et magnetfelt, da feltet blev slukket, bakterierne begyndte at bevæge sig på egen hånd, resulterer i "bøj ustabilitet." Disse ustabilitet lignede kronblade på en blomst eller grene, der strålede ud fra et træ. Antallet af grene blev styret af bakteriens aktivitet.

"Ustabiliteten blev mere og mere fremtrædende efterhånden som tiden skrider frem, indtil systemet til sidst bliver fuldstændig uordentligt, "sagde de Pablo.

Gennem disse eksperimenter og beregningssimuleringer forskerne opdagede, hvordan disse ustabilitet dannes gennem belastning og geometri, og udviklede derfor en metode til at oprette og placere bøjningsinstabiliteten.

Styring af krystaller til fremtidige teknologier

Forskerne håber at kunne bruge disse oplysninger til fuldt ud at kunne kontrollere disse levende flydende krystaller. Det ville give dem mulighed for i sidste ende at oprette en ny slags mikrofluidisk enhed, der transporterer væsker autonomt uden pumper eller tryk, eller at skabe syntetiske systemer, der ligner celler, og som kunne bevæge sig autonomt fra et sted til et andet.

"Vi har en reel mulighed for at kontrollere disse materialer og bruge dem til interessante nye teknologier, "sagde de Pablo.