Vloeibare kristallen - zoals de kristallen die deze woorden vormen op computerschermen - kunnen worden afgestemd om bacteriën te bestrijden of aangetaste elektronica te vernietigen door te reageren op subtiele veranderingen in hun omgeving met kleine, afgemeten doses vloeistof of vaste stof.

Onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin-Madison hebben vloeibaar-kristalfilms en -druppels ontwikkeld die een breed scala aan "micro-cargo" kunnen bevatten totdat ze worden vrijgegeven door lichaamswarmte of een lichtstraal of zelfs het kielzog van zwemmende micro-organismen.

De truc zit hem in het benutten van de manier waarop vloeibare kristallen kunnen worden georganiseerd, zoals UW-Madison, professor in chemische en biologische technologie, Nick Abbott en leden van zijn laboratorium, vandaag in het tijdschrift beschrijven Natuur .

"In een typische vloeistof, als water, de moleculen zijn allemaal door elkaar gegooid. Een vloeibaar kristal is ook een vloeistof, maar de moleculen staan ​​op één lijn. En ze stellen zich op over zeer lange afstanden, zolang 100, 000 moleculaire lengtes, "zegt Abbott. "Het feit dat ze zo op één lijn liggen, geeft aanleiding tot mechanische eigenschappen - wat we elasticiteit noemen. We manipuleren die elasticiteit."

In een liquid crystal display zoals een tv-scherm, de oriëntatie van het vloeibare kristal wordt veranderd door het aanleggen van een elektrisch veld. Verschillende oriëntaties veranderen de kleuren en vormen op het scherm. De innovatie van Abbott maakt gebruik van vergelijkbare gevoelige vloeibaar-kristalfilms.

"Binnen de film, we hebben kleine druppeltjes geplaatst die een actieve stof bevatten. Ze zijn ongeveer een micrometer groot, een klein waterbad, "zegt hij. "Je kunt deze druppeltjes in de film van vloeibaar kristal vangen, en als reactie op de prikkels, we kunnen ze uitwerpen."

De onderzoekers zweefden kleine doses van een antibacteriële verbinding in een vloeibaar-kristalfilm terwijl de moleculen van het kristal netjes in één richting waren opgesteld ten opzichte van het oppervlak van de film en dompelden de film vervolgens onder in water met wat bacteriën.

"Bacteriën verplaatsen zich meestal met een flagella, een soort staart die ze draaien die hen door vloeistof drijft, "zegt Abbott. "Wat we konden laten zien, is dat als bacteriën op het oppervlak van de film komen, de beweging van hun flagella brengt een schuifspanning op de film over."

De spanning verstoort de oriëntatie van het vloeibare kristal. Terwijl de moleculen uit de lijn wiebelen en zich heroriënteren, ze laten klodders van de microlading uit de film glippen om zich met het water te vermengen. De verandering in uitlijning van het vloeibare kristal genereert ook een optisch signaal, melding van de komst van de bacterie.

"Door de aanwezigheid van de bacteriën komt het antibacteriële middel vrij. Wanneer het middel de bacteriën doodt, de bacteriën stoppen met bewegen, dus de release stopt, "zegt Abbott. "Dat is wat interessant is. Ik ken geen ander materiaal dat deze eigenschap heeft, dit soort interne controle inherent aan zijn structuur."

Andere methoden voor het vrijgeven van kleine hoeveelheden medicatie of chemicaliën vereisen meestal controle van elektronica en bewegende delen in kleine kleppen, of ze lossen al hun lading in één keer of onnauwkeurige hoeveelheden - in tegenstelling tot het vloeibare kristal, die levering in nauwkeurige hoeveelheden kan herhalen.

"Een gebruikelijke manier om bacteriële besmetting te beheersen, is door bacteriële agentia in een oplossing of op een oppervlak uit te logen, maar je bent ze aan het uitlogen, of de bacteriën er nu zijn of niet, " zegt Abbott, wiens werk wordt ondersteund door het US Army Research Office en de National Science Foundation. "Dit materiaal kan heel lang sluimeren, niets vrijgeven. Het is alleen in de aanwezigheid van een signaal uit zijn omgeving - zoals de beweging van levende bacteriën - dat het zijn middel zou vrijgeven."

Abbott - en postdoctoraal onderzoeker Young-Ki Kim, recent afgestudeerde studenten Xiaoguang Wang en Emre Bukusoglu, en niet-gegradueerde Pranati Mondkar - toonde ook aan dat de hitte van het oppervlak van een vinger vloeibaar kristal ertoe kan brengen microlading vrij te geven, en Abbott zegt dat de films of druppeltjes kunnen worden gedoteerd met moleculen die ze lichtgevoelig maken of reageren op een elektrische lading zoals een LCD-scherm.

Er is nog een handige functie die de films delen met LCD-schermen.

"Het kan je vertellen wanneer de microlading wordt vrijgegeven, Abbott zegt, "omdat er ook een optisch signaal wordt gegenereerd wanneer het vloeibare kristal wordt geheroriënteerd. Het is zelfregulerend en zelfrapporterend."

De films zouden dit ingebouwde signaal kunnen gebruiken om aan te kondigen hoe vaak ze vracht hebben losgelaten - of wanneer ze op zijn.

Terwijl de Natuur studie gebruikte een antibacteriële toepassing als demonstratie, Abbott gelooft dat vloeibare kristallen nuttig kunnen zijn in allerlei toepassingen - van het uitdelen van medicijnen tot het verlichten van de stress van een vernauwd bloedvat, om corrosieve vloeistoffen vrij te geven om de circuits van een gecompromitteerde computer zelf te vernietigen.