Sådan bindes mikroskopiske knuder

Fysikere ved University of Colorado Boulder er gået kreativt langt for at tjene deres spejdende fortjenestemærker for knudebinding.

I en undersøgelse, der vil blive vist 22. september i tidsskriftet Videnskab , et team af forskere opdagede en ny måde at binde mikroskopiske knuder i en opløsning af flydende krystaller. Denne type materiale findes i en bred vifte af elektronik fra HD-tv til mobiltelefonskærme.

Og selvom de små knuder ikke hjælper dig med at sikre en robåd eller slå telt op, de er en bedrift af kontrol, sagde Jung-Shen (Benny) Tai, hovedforfatter til den nye forskning. En gang bundet, disse molekylære kringler vil ikke løsne sig, og de kan komme sammen til at danne store, tredimensionelle krystaller.

"Ved at ændre spændingen påfører vi den flydende krystal med vores knuder, vi kan få dem til at udvide eller krympe og endda danne CU Boulder -logoet, når de manipuleres ved hjælp af lasere, "sagde Tai, en kandidatstuderende på Institut for Fysik.

Medforfatter Ivan Smalyukh mener, at holdets flydende krystal-knuder vil have andre anvendelser, også.

Fysikere, forklarede han, har længe været interesseret i, hvordan knuder kan dannes inden for en lang række fysiske felter, som dem, der kommer fra magneter. Problemet er, at disse fænomener ikke er lette at observere eller manipulere ved hjælp af konventionelle værktøjer.

"Forskere har foreslået knuder som disse i kosmologi, atomfysik, partikelfysik, overalt, "sagde Smalyukh, en professor i fysik. "Men det smukke ved flydende krystaller er, at du kan se og studere dem under et mikroskop."

Han tilføjede, at undersøgelsen bygger på menneskehedens langvarige besættelse af knuder. Sådanne former har spillet en central rolle i keltiske kunstværker, Nordisk, Tibetanske og kinesiske kulturer, for at nævne et par stykker.

"Mennesket har været fascineret af knuder i årtusinder, "Sagde Smalyukh.

Forskere er ingen undtagelse. I det 19. århundrede, for eksempel, berømte fysikere William Thomson og James Clerk Maxwell foreslog, at atomer selv kunne bestå af små knaster energi. Denne model blev til sidst debunked, men det var med til at inspirere et aktuelt forskningsområde kaldet matematisk knudeori.

Og det fik mange forskere til at lede efter knuder i andre fysiske fænomener. For deres del, Smalyukh og Tai vendte sig til flydende krystaller.

Disse typer materialer er nyttige, fordi de opfører sig lidt som faste stoffer og lidt som væsker.

I den nye undersøgelse, forskerne eksperimenterede med en type flydende krystalmolekyle, der er formet som en spiral, eller en lille skrue. Fordi disse skruer ikke passer godt sammen, de har en tendens til at sno sig, Sagde Smalyukh. Som resultat, hvis du blander dem under de helt rigtige forhold, små knæk vil begynde at dukke op i opløsningen. Gennem et mikroskop, disse knæk ligner lidt sandkorn, der flyder i et glas vand.

Men de er ikke korn. De er knuder.

"Vi ser et stort antal molekyler, der ved, hvordan man knytter knuder, "Sagde Smalyukh.

Sagt på en anden måde, molekylerne i de små knæk peger i andre retninger end dem omkring dem. Og hvis du måler deres kollektive orienteringer forskellige steder, de sporer linjen i en knude.

Tai tilføjede, at teamet har set flere forskellige slags knuder dukke op i deres flydende krystalopløsninger. Den mest grundlæggende er trefoil knuden, som krydser sig selv tre gange og var et populært motiv i keltiske kunstværker.

"Vi havde også mere komplicerede som cinquefoil -knuder, eller knob med fem krydsninger og endda dem med syv krydsninger, " han sagde.

Ligesom de bedste knuder, disse kreationer klikker ikke, medmindre forskerne forstyrrer det omgivende medium - svarende til at bruge en saks til at klippe dem. Som resultat, holdet var i stand til at bruge lasere til at flytte knuderne rundt, skubbe dem sammen for at danne meget større strukturer.

"Med flydende krystaller, vi kan let forestille os og analysere disse knuder og sammenligne dem med faktiske matematiske knuder, "Sagde Tai." Så det giver en meget god platform til at teste knudeori. "

Smalyukh var enig og sagde, at det også bare er spændende at finde en ny måde at lege med knob på.

"Vi ved, at der er en smuk historie om, at mennesker blev fascineret af muligheden for knuder i marker, "sagde han." Men det var ganske uventet at se dem i denne udførelsesform lige foran vores øjne. "