Aktive flydende krystalsystemer undersøgt i jagten på autonome materialesystemer

Liquid Crystals (LC) er udbredt i skærmteknologi og optiske fibre. Fra smartphones i lommen til storskærms-tv, LC'er er overalt, da denne særlige tilstand af stof er blevet fundet i farverige sæbebobler samt visse levende væv.

Men LC'er er på ingen måde begrænset til brug i gadgets eller elektroniske enheder. I et stykke tid, forskere har undersøgt muligheden for at skabe "aktive nematika, "en bestemt klasse af aktive LC'er, som består af selvdrevne enheder, der er i stand til at omdanne kemisk eller andre former for energi til bevægelse. Når de administreres de rigtige stimuli, videnskabsmænd har fundet ud af, at de kan generere en forudsigelig reaktion fra forskellige LC'er, som giver mulighed for design af smart, multifunktionelle materialesystemer, såsom et bakteriedræbende flerfasesystem, der er i stand til selv at regulere og rapportere tilstedeværelse og eliminering af patogener. Tidligere undersøgelser har vist, at lysmønstre kan udnyttes til at styre skabelsen og bevægelsen af ​​topologiske defekter i LC'er, som kunne tjene som lastbærere eller signalsendere, der yderligere forbedrer materialets respons.

Deres resultater blev offentliggjort i tidsskriftet Naturmaterialer den 18. februar, 2021. Arbejdet var et vellykket samarbejde mellem flere forskningsgrupper, herunder professorer Juan de Pablo, Margaret Gardel, Vincenzo Vitelli og Aaron Dinner fra University of Chicago og professor Zev Bryant fra Stanford University.

Skulptering af veldefinerede strukturer i væsker kunne i princippet muliggøre konstruktion af funktionaliteter, som ellers kun er mulige i faste materialer. Eksisterende indsats hen imod dette mål er ofte afhængig af flere komponenter eller faser, der er langt fra ligevægt og svære at kontrollere, derved begrænse deres anvendelse.

Introduktion af lokal aktivitet i sådanne flydende strukturer kunne derfor åbne muligheder for en bred vifte af anvendelser, for eksempel, efterligner cellernes adfærd. Imidlertid, at manipulere disse indlejrede eller skulpturerede strukturer er stadig vanskeligt. Takket være det underliggende lokale molekylære orienteringsfelt, topologiske defekter i LC'er repræsenterer stabile inhomogene strukturer, som kan tillade indlejring af fleksible strukturer i et flydende medium.

"Aktive LC'er er et begyndende felt, og mange fænomener mangler at blive belyst og anvendt, " sagde prof. Zhang Rui, adjunkt ved Institut for Fysik, HKUST, som er en af ​​medforfatterne til forskningen. "Vores undersøgelse undersøgte forskellige aktive LC-systemer, herunder naturlige systemer, såsom cellekolonier, biopolymerer og bakterier, samt syntetiske systemer, som efterligner den adaptive og autonome adfærd, der findes i levende stof."

Studiet, som for nylig blev offentliggjort i Naturanmeldelser Materialer , afslører, at forskellige typer af aktive LC-systemer alle udviser slående ligheder med hinanden, men vigtigere, disse systemer udviser en høj følsomhed over for miljøet, såsom grænsefladebegivenheder, hvilket gør dem potentielt programmerbare og autonome til en bred vifte af applikationer.

"Følsomheden over for grænsefladebegivenheder, såsom temperaturgradienter og hydrodynamiske strømme, kan udnyttes til påvisning af ioniske arter, gasser, toksiner, og bakterier, " bemærkede Zhang. "Ved at udvikle de tilsvarende grænseflader, vi kan bibringe en forbigående aktivitet til disse LC-systemer, hvilket ville gøre disse selvkørende LC'er til en potentiel kandidat til applikationer som mikroreaktordesign og målrettet medicinafgivelse."

"Vi vidste, at disse aktive materialer var smukke og interessante, men nu ved vi, hvordan man manipulerer dem og bruger dem til interessante applikationer, siger professor Juan de Pablo, vicepræsident og professor i molekylær ingeniørvidenskab ved University of Chicago, sagde en tilsvarende forfatter til undersøgelsen. "Det er meget lovende."

"Aktive materialer er lovende i den forstand, at de ikke har brug for realtidskommunikation, menneskelig indgriben, og ekstern strømforsyning, " siger Zhang. I fremtiden, Zhang-gruppen vil fortsætte med at samarbejde med Chicago-gruppen for at undersøge muligheden for logiske operationer gennem disse aktive flydende krystaller, hvilket kunne føre til et anvendeligt autonomt materiale, der kan beregne og foretage nødvendige handlinger baseret på deres beregninger. "Med realiseringen af ​​sådanne intelligente materialer, vi behøver ikke læse manualen til en medicin, og kapslen ville bestemme, hvor meget dosis der skal frigives, mens den er inde i din krop; eller dit vindue kan bestemme dets farve og om det skal åbnes, selv i en katastrofal hændelse, herunder et strømafbrydelse, " siger Zhang.