Striber i en flydende flydende krystal antyder en vej til chirale væsker

Hun og hendes kolleger gentog sine første eksperimenter i laboratoriet. De fremstillede en mikrofluidisk kanal af to glasobjektglas, adskilt af et meget tyndt mellemrum og forbundet til et hovedreservoir. Holdet pumpede langsomt prøver af den flydende krystal gennem reservoiret og ind i rummet mellem pladerne og tog derefter mikroskopibilleder af væsken, mens den strømmede igennem.

Ligesom Zhangs indledende eksperimenter observerede holdet en uventet transformation:Den normalt ensartede væske begyndte at danne tigerlignende striber, mens den langsomt bevægede sig gennem kanalen.

"Det var overraskende, at det dannede enhver struktur, men endnu mere overraskende, når vi faktisk vidste, hvilken type struktur det dannede," siger Bischofberger. "Det er her, chiralitet kommer ind."

Twist og flow

Holdet opdagede, at væskens striber var uventet chirale, ved at bruge forskellige optiske og modelleringsteknikker til effektivt at spore væskens flow tilbage. De observerede, at væskens mikroskopiske stænger, når de ikke bevæger sig, normalt er justeret i næsten perfekt formation. Når væsken pumpes gennem kanalen hurtigt, er stængerne i fuldstændig uorden. Men ved et langsommere flow derimellem begynder strukturerne at slingre for derefter at vride sig gradvist som små propeller, hver af dem drejer lidt mere end den næste.

Hvis væsken fortsætter sin langsomme strømning, samles de snoede krystaller til store spiralstrukturer, der fremstår som striber under mikroskopet.

"Der er denne magiske region, hvor hvis du bare forsigtigt får dem til at flyde, danner de disse store spiralstrukturer," siger Zhang.

Forskerne modellerede væskens dynamik og fandt ud af, at de store spiralmønstre opstod, når væsken nåede frem til en balance mellem to kræfter:viskositet og elasticitet. Viskositet beskriver, hvor let et materiale flyder, mens elasticitet i bund og grund er, hvor sandsynligt det er, at et materiale deformeres (f.eks. hvor let væskens stænger vrikker og vrider sig).

"Når disse to kræfter er omtrent det samme, er det, når vi ser disse spiralstrukturer," forklarer Bischofberger. "Det er lidt forbløffende, at individuelle strukturer i størrelsesordenen nanometer kan samles til meget større, millimeterskala strukturer, der er meget ordnede, bare ved at skubbe dem en lille smule ud af ligevægt."

Holdet indså, at de snoede samlinger har en chiral geometri:Hvis et spejlbillede blev lavet af en spiral, ville det ikke være muligt at overlejre det over originalen, uanset hvordan spiralerne blev omarrangeret. Det faktum, at de chirale spiraler er opstået fra et ikke-kiralt materiale og gennem ikke-chirale midler, er en første og peger på en relativt enkel måde at konstruere strukturerede væsker på.

"Resultaterne er virkelig overraskende og spændende," siger Giuliano Zanchetta, lektor ved universitetet i Milano, som ikke var involveret i undersøgelsen. "Det ville være interessant at udforske grænserne for dette fænomen. Jeg ville se de rapporterede chirale mønstre som en lovende måde at periodisk modulere optiske egenskaber på mikroskala."

"Vi har nu nogle knapper til at tune denne struktur," siger Bischofberger. "Dette kan give os en ny optisk sensor, der interagerer med lys på bestemte måder. Den kan også bruges som stilladser til at dyrke og transportere molekyler til lægemiddellevering. Vi er spændte på at udforske hele dette nye faserum."

Flere oplysninger: Qing Zhang et al., Flow-inducerede periodiske chirale strukturer i en achiral nematisk flydende krystal, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-43978-6

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.