aterialen die in staat zijn om complexe functies uit te voeren als reactie op veranderingen in de omgeving, zouden de basis kunnen vormen voor opwindende nieuwe technologieën. Denk aan een capsule die in uw lichaam wordt geïmplanteerd en die automatisch antistoffen afgeeft als reactie op een virus, een oppervlak dat een antibacterieel middel afgeeft bij blootstelling aan gevaarlijke bacteriën, een materiaal dat zijn vorm aanpast wanneer het een bepaald gewicht moet dragen, of kleding die giftige verontreinigingen uit de lucht detecteert en opvangt.

Wetenschappers en ingenieurs hebben de eerste stap naar dit soort autonome materialen al gezet door 'actieve' materialen te ontwikkelen die zelfstandig kunnen bewegen. Nutsvoorzieningen, Onderzoekers van de Universiteit van Chicago hebben de volgende stap gezet door aan te tonen dat de beweging in zo'n actief materiaal - vloeibare kristallen - kan worden benut en gestuurd.

Dit proof-of-concept onderzoek, gepubliceerd op 18 februari in het tijdschrift Natuurmaterialen , is het resultaat van drie jaar samenwerking tussen de groepen van Profs. Juan de Pablo en Margaret Gardel in de Pritzker School of Molecular Engineering aan de Universiteit van Chicago, samen met Vincenzo Vitelli, hoogleraar natuurkunde, en Aaron Diner, hoogleraar scheikunde.

De eigenschappen van vloeibare kristallen benutten

In tegenstelling tot traditionele vloeistoffen, vloeibare kristallen vertonen een uniforme moleculaire volgorde en oriëntatie die potentieel bieden als bouwstenen voor autonome materialen. Defecten in de kristallen zijn in wezen kleine capsules die kunnen dienen als locaties voor chemische reacties of als transportschepen voor vracht in een circuitachtig apparaat.

Om autonome materialen te creëren die kunnen worden gebruikt in technologieën, wetenschappers moesten een manier vinden om deze materialen hun defecten zelf te laten voortstuwen terwijl ze de richting van de beweging beheersen.

Om "actieve" vloeibare kristallen te maken, de onderzoekers gebruikten actinefilamenten, dezelfde filamenten die het cytoskelet van een cel vormen. Ze voegden ook motoreiwitten toe, dat zijn de eiwitten die biologische systemen gebruiken om kracht uit te oefenen in actinefilamenten. Deze eiwitten "lopen" in wezen langs de filamenten, waardoor de kristallen gaan bewegen.

In dit geval, in samenwerking met de groep van Prof. Zev Bryant aan de Stanford University, de onderzoekers ontwikkelden actieve vloeibare kristallen aangedreven door lichtgevoelige eiwitten, waarvan de activiteit toeneemt bij blootstelling aan licht.

Met behulp van geavanceerde computersimulaties van modellen ontwikkeld door de Pablo met postdoctorale fellows Rui Zhang en Ali Mozaffari, de onderzoekers voorspelden dat ze defecten zouden kunnen creëren en manipuleren door lokale activiteitspatronen in een vloeibaar kristal te creëren.

Experimenten onder leiding van Gardel en postdoctorale fellows Steven Redford en Nitin Kumar bevestigden deze voorspellingen. specifiek, door een laser op verschillende gebieden te laten schijnen, de onderzoekers maakten die regio's min of meer actief, waardoor de stroom van het defect wordt gecontroleerd.

Vervolgens lieten ze zien hoe dit kan worden gebruikt om een ​​microfluïdisch apparaat te maken, een tool die onderzoekers in engineering, scheikunde, en biologie gebruiken om kleine hoeveelheden vloeistoffen te analyseren.

Gewoonlijk bevatten dergelijke apparaten kleine kamers, tunnels en kleppen; met een materiaal als dit, vloeistoffen kunnen autonoom worden getransporteerd zonder pompen of druk, de deur openen voor het programmeren van complex gedrag in actieve systemen.

De ontdekkingen die in het manuscript worden gepresenteerd, zijn belangrijk omdat, tot nu, veel van het onderzoek naar actieve vloeibare kristallen was gericht op het karakteriseren van hun gedrag.

"In dit werk hebben we laten zien hoe we deze materialen kunnen beheersen, die de weg zouden kunnen effenen voor toepassingen, " zei de Pablo. "We hebben nu een voorbeeld waarbij voortstuwing op moleculair niveau is gebruikt om beweging en transport over macroscopische schalen te regelen."

Nieuwe apparaten maken van het materiaal

Deze proof-of-concept laat zien dat een systeem van vloeibare kristallen uiteindelijk gebruikt zou kunnen worden als sensor of versterker die reageert op de omgeving. Volgende, de onderzoekers hopen aan te tonen hoe ze de nodige elementen kunnen bouwen die nodig zijn om van dit systeem een ​​circuit te maken dat in staat is logische bewerkingen uit te voeren op dezelfde manier als computers.

"We wisten dat deze actieve materialen mooi en interessant waren, maar nu weten we hoe we ze moeten manipuleren en gebruiken voor interessante toepassingen, zei de Pablo. "Dat is heel spannend."