I skridt mod autonome materialer, forskere designer mønstre i selvkørende flydende krystaller

Aterier, der er i stand til at udføre komplekse funktioner som reaktion på ændringer i miljøet, kunne danne grundlag for spændende nye teknologier. Tænk på en kapsel implanteret i din krop, som automatisk frigiver antistoffer som reaktion på en virus, en overflade, der frigiver et antibakterielt middel, når det udsættes for farlige bakterier, et materiale, der tilpasser sin form, når det skal holde en bestemt vægt, eller tøj, der registrerer og fanger giftige forurenende stoffer fra luften.

Forskere og ingeniører har allerede taget det første skridt mod disse typer af autonome materialer ved at udvikle "aktive" materialer, der har evnen til at bevæge sig på egen hånd. Nu, forskere ved University of Chicago har taget det næste skridt ved at vise, at bevægelsen i et sådant aktivt materiale - flydende krystaller - kan udnyttes og styres.

Denne proof-of-concept forskning, offentliggjort 18. februar i tidsskriftet Naturmaterialer , er resultatet af tre års samarbejde mellem grupper af proffs. Juan de Pablo og Margaret Gardel i Pritzker School of Molecular Engineering ved University of Chicago, sammen med Vincenzo Vitelli, professor i fysik, og Aaron Dinner, professor i kemi.

Udnyttelse af egenskaberne af flydende krystaller

I modsætning til traditionelle væsker, flydende krystaller udviser en ensartet molekylær orden og orientering, der tilbyder potentiale som byggesten til autonome materialer. Defekter i krystallerne er i det væsentlige små kapsler, der kan fungere som steder for kemiske reaktioner eller som transportbeholdere til last i en kredsløbslignende enhed.

At skabe autonome materialer, der kan bruges i teknologier, videnskabsmænd havde brug for at finde en måde at få disse materialer til selv at drive deres defekter, mens de kontrollerede bevægelsesretningen.

For at lave "aktive" flydende krystaller, forskerne brugte aktinfilamenter, de samme filamenter, der udgør en celles cytoskelet. De tilføjede også motorproteiner, som er de proteiner, som biologiske systemer bruger til at udøve kraft i actinfilamenter. Disse proteiner "går" i det væsentlige langs filamenterne, får krystallerne til at bevæge sig.

I dette tilfælde, i samarbejde med gruppen af ​​prof. Zev Bryant ved Stanford University, forskerne udviklede aktive flydende krystaller drevet af lysfølsomme proteiner, hvis aktivitet øges, når den udsættes for lys.

Ved at bruge avancerede computersimuleringer af modeller udviklet af de Pablo med postdoc-stipendiater Rui Zhang og Ali Mozaffari, forskerne forudsagde, at de kunne skabe defekter og manipulere dem ved at skabe lokale aktivitetsmønstre i en flydende krystal.

Eksperimenter ledet af Gardel og postdoktorer Steven Redford og Nitin Kumar bekræftede disse forudsigelser. Specifikt, ved at skinne en laser på forskellige områder, forskerne gjorde disse regioner mere eller mindre aktive, og derved kontrollere strømmen af ​​defekten.

De viste derefter, hvordan dette kunne bruges til at oprette en mikrofluidisk enhed, et værktøj, som forskere inden for teknik, kemi, og biologi bruge til at analysere små mængder væsker.

Normalt omfatter sådanne enheder bittesmå kamre, tunneler og ventiler; med et materiale som dette, væsker kunne transporteres autonomt uden pumper eller tryk, åbner døren for programmering af kompleks adfærd i aktive systemer.

Opdagelserne præsenteret i manuskriptet er betydningsfulde, fordi indtil nu, meget af forskningen i aktive flydende krystaller har været fokuseret på at karakterisere deres adfærd.

"I dette arbejde har vi vist, hvordan man styrer disse materialer, som kunne bane vejen for ansøgninger, "sagde de Pablo." Vi har nu et eksempel, hvor fremdrift på molekylært niveau er blevet udnyttet til at styre bevægelse og transport over makroskopiske skalaer. "

Oprettelse af nye enheder ud fra materialet

Dette proof-of-concept viser, at et system af flydende krystaller i sidste ende kan bruges som en sensor eller en forstærker, der reagerer på miljøet. Næste, forskerne håber at demonstrere, hvordan man bygger de nødvendige elementer, der er nødvendige for at gøre dette system til et kredsløb, der er i stand til at udføre logiske operationer på samme måde som computere gør.

"Vi vidste, at disse aktive materialer var smukke og interessante, men nu ved vi, hvordan man manipulerer dem og bruger dem til interessante applikationer, " sagde de Pablo. "Det er meget spændende."