Slim glas, overgangslenzen en stemmingsringen zijn niet de enige dingen die van vloeibare kristallen zijn gemaakt; slijm, slakkenslijm en celmembranen bevatten ze ook. Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers probeert beter te begrijpen hoe vloeibare kristallen, gecombineerd met bacteriën, levende materialen vormen en hoe de twee op elkaar inwerken om zich te organiseren en te verplaatsen.

"Een van de ideeën die we bedachten was materialen die leven, " zei Igor S. Aronson, houder van de Huck-leerstoel en hoogleraar Biomedical Engineering, Scheikunde en wiskunde. levende materie, actieve materie kan zelfherstellend en van vorm veranderen en zal energie omzetten in mechanische beweging."

Het levende materiaal dat Aronson onderzoekt met behulp van voorspellende computermodellen en experimenten, bestaat uit een bacterie - Bacillus subtilis - die snel kan bewegen met behulp van zijn lange flagella en een nematisch vloeibaar kristal - dinatriumcromoglycaat. Vloeibare kristallen als materialen zitten ergens tussen een vloeistof en een vaste stof. In dit geval, de moleculen in dinatriumcromoglycaat staan ​​in lange parallelle rijen, maar zitten niet vast. In staat om te bewegen, ze blijven in slechts één richting georiënteerd, tenzij ze worden gestoord.

Volgens Aronson, dit type vloeibaar kristal lijkt sterk op een recht geploegd veld met de ruggen de moleculen en de groeven de gebieden ertussen.

Eerder ontdekten de onderzoekers dat deze kleine bacteriën in een vloeibaar kristalmateriaal vracht - kleine deeltjes - door de kanalen in een vloeibaar kristal kunnen duwen en in kleine concentraties vier keer hun lichaamslengte kunnen verplaatsen. maar conservatief, op 20 keer hun lichaamslengte in grote aantallen.

"Een opkomende eigenschap van de combinatie van een vloeibaar kristal en bacteriën is dat we bij een bacteriële concentratie van ongeveer 0,1 volumeprocent een collectieve reactie van de bacteriën beginnen te zien, ' zei Aronson.

Dit soort levend materiaal is niet zomaar een combinatie van twee componenten, maar de twee delen creëren iets met ongewone optische, fysieke of elektrische eigenschappen. Echter, er is geen direct verband tussen de bacteriën en de vloeistof. De computermodellen van de onderzoekers vertoonden collectief gedrag in hun systeem dat vergelijkbaar was met dat van feitelijke combinaties van vloeibare kristallen en bacteriën.

De voorspellende rekenmodellen voor dit vloeibaar-kristal bacteriesysteem laten een verandering zien van rechte parallelle kanalen wanneer er slechts een kleine bacteriepopulatie bestaat, naar een meer complexe, georganiseerd, actieve configuratie wanneer de bacteriepopulaties hoger zijn. Terwijl de patronen altijd veranderen, ze hebben de neiging om aanwijzerdefecten te vormen - pijlvormen - die als vallen dienen en bacteriën in een gebied concentreren, en driehoeksdefecten die bacteriën wegsturen van het gebied. Een verhoogde bacterieconcentratie verhoogt de snelheid van de bacteriën en configuraties in gebieden met een hogere bacteriepopulatie veranderen sneller dan in gebieden met minder bacteriën. Aronson en zijn team keken op een iets andere manier naar levende vloeibare kristallen dan in het verleden. Ze wilden dat de dunne film met vloeibare kristallen onafhankelijk zou zijn, geen enkel oppervlak aanraken, dus gebruikten ze een apparaat dat de film maakte - op een manier die vergelijkbaar is met die waarmee grote zeepbellen werden gemaakt - en schortte het op uit de buurt van contact met het oppervlak. Deze benadering toonde patronen van defecten in de structuur van het materiaal.

Experimenten met dunne films van vloeibare kristallen en bacteriën leverden dezelfde resultaten op als de rekenmodellen, volgens de onderzoekers.

Een ander effect dat de onderzoekers vonden, was dat wanneer zuurstof uit het systeem werd verwijderd, de werking van het levende materiaal stopte. Bacillus subtilis wordt meestal gevonden op plaatsen met zuurstof, maar kan overleven in omgevingen zonder zuurstof. De bacteriën in het levende materiaal stierven niet, ze stopten gewoon met bewegen totdat er weer zuurstof aanwezig was.

De onderzoekers rapporteerden in Fysieke beoordeling X dat hun "bevindingen nieuwe benaderingen suggereren voor het vangen en transporteren van bacteriën en synthetische zwemmers in anisotrope vloeistoffen en een reikwijdte van hulpmiddelen uitbreiden om microscopische objecten in actieve materie te controleren en te manipuleren." Omdat sommige biologische stoffen zoals slijm en celmembranen soms vloeibare kristallen zijn, dit onderzoek kan kennis opleveren over de interactie van deze biologische stoffen met bacteriën en mogelijk inzicht geven in ziekten als gevolg van bacteriële penetratie in slijm.