Cercetătorii proiectează modele în cristale lichide autopropulsate

Un nou studiu arată că mișcarea în cristalele lichide poate fi exploatată și dirijată, un pas către dezvoltarea de materiale autonome care pot simți intrările, amplifica semnalele și chiar calcula informații. Credit: Imagine oferită de Laboratorul Verduzco / Universitatea Rice

Descoperiri semnificative ar putea deschide calea pentru noi aplicații cu cristale lichide.

Materialele capabile să îndeplinească funcții complexe ca răspuns la schimbările din mediu pot constitui baza noilor tehnologii interesante. Gândiți-vă la o capsulă implantată în corpul dvs. care eliberează automat anticorpi ca răspuns la un virus, o suprafață care eliberează un agent antibacterian atunci când este expus bacteriilor periculoase, un material care se adaptează formei sale atunci când trebuie să poarte o anumită greutate sau haine care simte și captează poluanții toxici din aer.

Oamenii de știință și inginerii au făcut deja primul pas către aceste tipuri de materiale autonome dezvoltând materiale „active” care au capacitatea de a se deplasa singure. Acum, cercetătorii de la Universitatea din Chicago au făcut următorul pas arătând că mișcarea într-un astfel de material activ – cristalele lichide – poate fi exploatată și dirijată.

Acest studiu de testare a conceptului, publicat pe 18 februarie 2021, în jurnal Materiale naturale, este rezultatul a trei ani de muncă colaborativă a grupurilor lui Juan de Pablo, Liew Family Professor of Molecular Engineering și Margaret Gardel, Professor of Physics and Molecular Engineering Horace B. Horton, împreună cu Vincenzo Vitelli, Professor of Physics, and Dinner Aaron, profesor de chimie.

Folosind proprietățile cristalelor lichide

Spre deosebire de lichidele tradiționale, cristalele lichide prezintă o ordine și o orientare moleculară uniformă, care oferă potențial ca elemente constructive pentru materiale autonome. Defectele din cristale sunt în esență mici capsule care pot acționa ca locuri pentru reacții chimice sau ca containere de transport pentru încărcături într-un dispozitiv asemănător unui circuit.

Pentru a crea materiale autonome care ar putea fi utilizate în tehnologie, oamenii de știință au trebuit să găsească o modalitate prin care aceste materiale să-și autoinducă defectele, controlând în același timp direcția de mișcare.

Pentru a face cristale lichide „active”, cercetătorii au folosit filamente de actină, aceleași filamente care alcătuiesc citoscheletul unei celule. De asemenea, au adăugat proteine ​​motorii, care sunt proteine ​​pe care sistemele biologice le folosesc pentru a exercita forța asupra fibrelor de actină. Aceste proteine ​​în esență „umblă” de-a lungul filamentelor, determinând mișcarea cristalelor.

„În această lucrare am arătat cum să controlăm aceste materiale, care pot deschide calea pentru aplicații.”

—Prof. Juan de Pablo

În acest caz, în colaborare cu grupul Prof. Zev Bryant de la Universitatea Stanford, cercetătorii au dezvoltat cristale lichide active permise de proteine ​​sensibile la lumină, a căror activitate crește atunci când este expusă la lumină.

Utilizând simulări avansate pe computer ale modelelor dezvoltate de de Pablo cu colegii postdoctorali Rui Zhang și Ali Mozaffari, cercetătorii au prezis că ar putea crea defecte și le pot manipula prin crearea de modele locale de activitate într-un cristal lichid.

Experimentele conduse de Gardel și colegii de doctorat Steven Redford și Nitin Kumar au confirmat aceste predicții. Mai exact, prin iluminarea unui laser în diferite regiuni, cercetătorii au făcut aceste regiuni mai mult sau mai puțin active, controlând fluxul defectului.

Apoi au arătat cum ar putea fi folosit acest lucru pentru a crea un dispozitiv microfluidic, un instrument pe care cercetătorii din inginerie, chimie și biologie îl folosesc pentru a analiza cantități mici de fluide.

De obicei, astfel de dispozitive includ camere mici, tuneluri și supape; cu un material ca acesta, fluidele pot fi transportate autonom fără pompe sau presiune, deschizând ușa către programarea comportamentelor complexe în sistemele active.

Descoperirile prezentate în manuscris sunt semnificative deoarece, până în prezent, majoritatea cercetărilor asupra cristalelor lichide active s-au concentrat pe caracterizarea comportamentului lor.

„În această lucrare am arătat cum să controlăm aceste materiale, care pot deschide calea pentru aplicații”, a spus de Pablo. Acum avem un exemplu în care împingerea la nivel molecular a fost utilizată pentru a controla mișcarea și transportul pe scări macroscopice.

Crearea de echipamente noi din material

Acest test conceptual arată că un sistem cu cristale lichide poate fi în cele din urmă utilizat ca senzor sau amplificator care reacționează la mediu. Apoi, cercetătorii speră să demonstreze cum să construiască elementele necesare pentru a face acest sistem capabil să efectueze operațiuni logice în același mod în care o fac computerele.

„Știam că aceste materiale active erau frumoase și interesante, dar acum știm cum să le manipulăm și să le folosim pentru aplicații interesante”, a spus de Pablo. “Este foarte interesant.”

Alți autori ai lucrării includ Sasha Zemsky și Paul V. Ruijgrok din Stanford. Acest efort de colaborare a fost posibil de către Centrul UChicago pentru Cercetarea și Ingineria Științei Materialelor. Gardel, Vitelli și Dinner sunt membri ai Institutului James Franck.

Referință: „Control spațial-temporal al structurii și dinamicii cristalelor lichide prin modelarea activității” de Rui Zhang, Steven A. Redford, Paul V. Ruijgrok, Nitin Kumar, Ali Mozaffari, Sasha Zemsky, Aaron R. Darka, Vincenzo Vitelli, Zev Bryant , Margaret L. Gardel și Juan J. de Pablo, 18 februarie 2021, Materiale naturale.
DOI: 10.1038 / s41563-020-00901-4

Finanțare: National Science Foundation

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Nanofibrele centrifugale multifuncționale pun un nou efect asupra măștilor COVID-19

Figura (A) Ilustrația schematică a procesului de producție a nanofibrelor polimerului centrifug polimer multispinning. (B) Nanofibrele polimerice sunt rotite de sistem. O...

Arheologii găsesc dovezi din monumentele de câini domestici din Peninsula Arabică Antică

Situat în regiunea tărâmurilor Alula, în nord-vestul Arabiei Saudite, acest cimitir este acum rar construit pe pământ pentru Arabia Neolitică-Calcolitică și este un ajutor...

Pe măsură ce straturile de gheață s-au topit, nivelul mării a crescut până la 18 metri

Se știe că creșterea nivelului mării datorită schimbărilor climatice este o amenințare majoră. Noile cercetări au arătat că evenimentele anterioare de pierdere a...

Oamenii de știință identifică genele umane care luptă împotriva infecției cu SARS-CoV-2

Vedere microscopică a coronavirusului. Credit: Yeti punctat Cercetările indică controlul genelor care stimulează interferonul SARS-CoV-2 Copie Oamenii de știință de la Sanford Burnham Prebis au...

Noua tehnică „Mașina timpului” dezvăluită pentru măsurarea celulei

Celulele dendritice (roșii / verzi co-colorate) într-un folicul limfoid (fragment de peyer) drenează intestinul (albastru). Credit: Wang Cao și Shengbo Zhang, WEHI Utilizând o...

Newsletter

Subscribe to stay updated.