Vloeibare kristallen (LC) worden veel toegepast in beeldschermtechnologie en optische vezels. Van smartphones in je broekzak tot grote tv's, LC's zijn overal, omdat deze speciale toestand van materie is gevonden in kleurrijke zeepbellen en in bepaalde levende weefsels.

Maar LC's zijn geenszins beperkt tot gebruik in gadgets of elektronische apparaten. Geruime tijd, wetenschappers hebben de mogelijkheid bestudeerd om "actieve nematica, " een bepaalde klasse van actieve LC's, die bestaan ​​uit zelfaangedreven eenheden die chemische of andere vormen van energie in beweging kunnen zetten. Wanneer de juiste stimuli worden toegediend, wetenschappers hebben ontdekt dat ze een voorspelbare respons van verschillende LC's kunnen genereren, die het mogelijk maakt om slimme, multifunctionele materialensystemen, zoals een bacteriedodend meerfasensysteem dat in staat is zichzelf te reguleren en de aanwezigheid en eliminatie van ziekteverwekkers te melden. Eerdere studies hebben aangetoond dat lichtpatronen kunnen worden gebruikt om de creatie en beweging van topologische defecten in LC's te sturen, die zouden kunnen dienen als vrachtvervoerders of signaalzenders die de respons van het materiaal verder verbeteren.

Hun bevindingen werden gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen op 18 februari, 2021. Het werk was een succesvolle samenwerking tussen verschillende onderzoeksgroepen, waaronder professoren Juan de Pablo, Margaret Gardel, Vincenzo Vitelli en Aaron Dinner van de Universiteit van Chicago en Professor Zev Bryant van Stanford University.

Het beeldhouwen van goed gedefinieerde structuren in vloeistoffen zou in principe de engineering van functionaliteiten mogelijk maken die anders alleen mogelijk zijn in vaste materialen. Bestaande inspanningen om dit doel te bereiken zijn vaak afhankelijk van meerdere componenten of fasen die verre van in evenwicht zijn en moeilijk te beheersen zijn, waardoor hun toepassing wordt beperkt.

Het introduceren van lokale activiteit in dergelijke vloeibare structuren zou daarom kansen kunnen bieden voor een breed scala aan toepassingen, bijvoorbeeld, het gedrag van cellen nabootsen. Echter, het manipuleren van deze ingebedde of gebeeldhouwde structuren blijft moeilijk. Dankzij het onderliggende lokale moleculaire oriënteringsveld, topologische defecten in LC's vertegenwoordigen stabiele inhomogene structuren, waardoor flexibele structuren in een vloeibaar medium kunnen worden ingebed.

"Actieve LC's zijn een ontluikend veld, en veel fenomenen moeten nog worden opgehelderd en toegepast, " zei prof. Zhang Rui, Universitair Docent bij de afdeling Natuurkunde, HKUST, wie is een van de co-auteurs van het onderzoek. "Onze studie onderzocht verschillende actieve LC-systemen, inclusief natuurlijke systemen, zoals celkolonies, biopolymeren en bacteriën, evenals synthetische systemen, die het adaptieve en autonome gedrag van levende materie nabootsen."

De studie, die onlangs werd gepubliceerd in Materialen voor natuurrecensies , onthult dat verschillende soorten actieve LC-systemen allemaal opvallende overeenkomsten met elkaar vertonen, maar belangrijker, deze systemen vertonen een hoge gevoeligheid voor de omgeving, zoals grensvlakgebeurtenissen, waardoor ze potentieel programmeerbaar en autonoom zijn voor een breed scala aan toepassingen.

"De gevoeligheid voor grensvlakgebeurtenissen, zoals temperatuurgradiënten en hydrodynamische stromingen, kan worden gebruikt voor de detectie van ionensoorten, gassen, toxines, en bacteriën, " merkte Zhang op. "Door de bijbehorende interfaces te ontwerpen, we kunnen een voorbijgaande activiteit geven aan deze LC-systemen, wat deze zelfrijdende LC's een potentiële kandidaat zou maken voor toepassingen zoals het ontwerp van microreactoren en gerichte medicijnafgifte."

"We wisten dat deze actieve materialen mooi en interessant waren, maar nu weten we hoe we ze moeten manipuleren en gebruiken voor interessante toepassingen, " zegt professor Juan de Pablo, de vice-president en hoogleraar Molecular Engineering van de Universiteit van Chicago, een corresponderende auteur van de studie zei. "Dat is veelbelovend."

"Actieve materialen zijn veelbelovend in die zin dat ze geen realtime communicatie nodig hebben, menselijke interventie, en externe voeding, " zegt Zhang. In de toekomst, De Zhang-groep zal blijven samenwerken met de Chicago-groep om de mogelijkheid van logische operaties door deze actieve vloeibare kristallen te onderzoeken, wat zou kunnen leiden tot een toepasbaar autonoom materiaal dat kan berekenen en de nodige acties kan ondernemen op basis van hun berekeningen. "Met de realisatie van zulke intelligente materialen, we hoeven de handleiding van een medicijn niet te lezen, en de capsule zou beslissen hoeveel dosis er moet worden afgegeven terwijl u zich in uw lichaam bevindt; of uw raam kan de kleur bepalen en al dan niet openen, zelfs in een catastrofale gebeurtenis, inclusief een stroomuitval, " zegt Zhang.