Vloeibare kristallen worden veel gebruikt in technologieën zoals displays, die hun oriëntatie manipuleren om kleuren over het hele spectrum weer te geven.

In traditionele displays, vloeibare kristallen zijn stationair en uniform, vrij van gebreken. Maar die stilte kan worden veranderd door bacteriën aan de kristallen toe te voegen, het creëren van wat wetenschappers en ingenieurs 'levende vloeibare kristallen' noemen:materialen die autonoom kunnen handelen. Terwijl bacteriën rond het vloeibare kristal zwemmen, ze genereren "defecten" die kunnen worden gebruikt voor technische doeleinden.

Onderzoekers van de Pritzker School of Molecular Engineering aan de Universiteit van Chicago, samen met collega's van het aan UChicago gelieerde Argonne National Laboratory, hebben laten zien hoe dit materiaal door dit proces actief en ongeordend wordt, het creëren van bloempatronen van de buiginstabiliteiten die uiteindelijk leiden tot het ontstaan ​​van defecten. Maar de resultaten zijn niet alleen esthetisch:ze zijn een belangrijke stap om te begrijpen hoe dit materiaal uiteindelijk kan worden gecontroleerd voor opkomende technologieën die afhankelijk zijn van defectvorming.

"Het ontstaan ​​van deze instabiliteiten is een onderwerp van veel discussie geweest, en nu begrijpen we echt hoe dit proces werkt, wat uiteindelijk zal leiden tot controle over hoe dit materiaal zich gedraagt, " zei Juan de Pablo, de Liew Family Professor in Molecular Engineering en co-auteur van het onderzoek, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling X .

Patroonvorming begrijpen

Levende vloeibare kristallen zijn een voorbeeld van materialen die op zichzelf kunnen werken. In de natuur, deze materialen zijn verantwoordelijk voor de beweeglijkheid van cellen. Eiwitten in de cellen "lopen" langs het oppervlak van polymeermoleculen en oefenen een kracht uit die verplaatsing en beweging veroorzaakt.

"Er is veel belangstelling voor deze materialen omdat ze complex zijn, mooi en relevant, zei de Pablo, vice-president voor nationale laboratoria. "Maar we willen begrijpen hoe beweging en transport erin worden gegenereerd."

In het labortorium, een manier om zo'n autonoom materiaal te maken, is door een vloeibaar kristal te combineren met bacteriën, die vervolgens wanorde veroorzaken tussen de vloeibare kristallen wanneer ze bewegen.

Om te bestuderen hoe het materiaal actief wordt, de onderzoekers combineerden zwembacteriën met een vloeibaar kristal in twee formaten:nabij het bodemoppervlak van een druppel opgehangen aan een naald bevestigd aan een glasplaatje, en in een dunne, vrijstaande folie.

Hoewel de bacteriën en het vloeibare kristal aanvankelijk werden uitgelijnd door een magnetisch veld, toen het veld werd uitgeschakeld, de bacteriën begonnen uit zichzelf te bewegen, resulterend in "buiginstabiliteiten." Deze instabiliteiten leken op bloemblaadjes op een bloem of takken die uit een boom straalden. Het aantal takken werd gecontroleerd door de activiteit van de bacteriën.

"De instabiliteiten werden meer en meer prominent naarmate de tijd vorderde, totdat het systeem uiteindelijk volledig ontregeld raakt, ' zei de Pablo.

Door deze experimenten en computationele simulaties, ontdekten de onderzoekers hoe deze instabiliteiten ontstaan ​​door spanning en geometrie, en ontwikkelde daarom een ​​methode om de buiginstabiliteiten te creëren en te positioneren.

Kristallen aansturen voor toekomstige technologieën

Met deze informatie hopen de onderzoekers deze levende vloeibare kristallen volledig onder controle te krijgen. Dat zou hen in staat stellen om uiteindelijk een nieuw soort microfluïdisch apparaat te creëren dat vloeistoffen autonoom transporteert zonder pompen of druk, of om synthetische systemen te creëren die op cellen lijken en die zich autonoom van de ene plaats naar de andere kunnen verplaatsen.

"We hebben een reële mogelijkheid om deze materialen te controleren en te gebruiken voor interessante nieuwe technologieën, ' zei de Pablo.