Science >> Wetenschap >  >> Fysica

Strepen in een stromend vloeibaar kristal suggereren een route naar chirale vloeistoffen

Tot de co-auteurs van de studie behoren hoofdauteur Qing Zhang Ph.D. '22, Weiqiang Wang en Rui Zhang van de Hong Kong University of Science and Technology, en Shuang Zhou van de Universiteit van Massachusetts in Amherst.

Opvallende strepen

Een vloeibaar kristal is een fase van materie die eigenschappen van zowel een vloeistof als een vaste stof belichaamt. Dergelijke tussenmaterialen vloeien als vloeistof en zijn moleculair gestructureerd als vaste stoffen. Vloeibare kristallen worden gebruikt als het belangrijkste element in pixels waaruit LCD-schermen bestaan, omdat de symmetrische uitlijning van hun moleculen uniform kan worden geschakeld met behulp van spanning om gezamenlijk beelden met een hoge resolutie te creëren.

De groep van Bischofberger aan het MIT onderzoekt hoe vloeistoffen en zachte materialen spontaan patronen vormen in de natuur en in het laboratorium. Het team probeert de mechanismen te begrijpen die ten grondslag liggen aan vloeistoftransformaties, die kunnen worden gebruikt om nieuwe, herconfigureerbare materialen te creëren.

In hun nieuwe onderzoek concentreerden de onderzoekers zich op een speciaal type nematisch vloeibaar kristal:een vloeistof op waterbasis die microscopisch kleine, staafachtige moleculaire structuren bevat. De staven zijn normaal gesproken in dezelfde richting uitgelijnd door de vloeistof. Zhang was aanvankelijk benieuwd hoe de vloeistof zich zou gedragen onder verschillende stromingsomstandigheden.

"Ik heb dit experiment in 2020 voor het eerst thuis geprobeerd", herinnert Zhang zich. "Ik had monsters van de vloeistof en een kleine microscoop, en op een dag zette ik hem op een lage stroomsnelheid. Toen ik terugkwam, zag ik dit werkelijk opvallende patroon."

Uit een MIT-onderzoek blijkt dat wanneer een vloeibaar kristal langzaam stroomt, de normaal ordelijke microstructuren ervan (afbeelding linksonder) spontaan roteren en draaien naar vormen tijgerachtige strepen op macroschaal. De ontdekking zou nieuwe manieren kunnen openen om gestructureerde vloeistoffen te ontwerpen voor medicijnafgifte en optische detectie. Credit:Massachusetts Institute of Technology

Zij en haar collega's herhaalden haar eerste experimenten in het laboratorium. Ze vervaardigden een microfluïdisch kanaal uit twee glasplaatjes, gescheiden door een zeer dunne ruimte, en verbonden met een hoofdreservoir. Het team pompte langzaam monsters van het vloeibare kristal door het reservoir en in de ruimte tussen de platen, en maakte vervolgens microscopische beelden van de vloeistof terwijl deze er doorheen stroomde.

Net als bij de eerste experimenten van Zhang nam het team een ​​onverwachte transformatie waar:de normaal uniforme vloeistof begon tijgerachtige strepen te vormen terwijl deze langzaam door het kanaal bewoog.

"Het was verrassend dat het een structuur vormde, maar nog verrassender toen we eenmaal wisten welk type structuur het vormde", zegt Bischofberger. "Dat is waar chiraliteit om de hoek komt kijken."

Draai en stroom

Het team ontdekte dat de strepen van de vloeistof onverwacht chiraal waren, door verschillende optische en modelleringstechnieken te gebruiken om de stroming van de vloeistof effectief te volgen. Ze merkten op dat de microscopisch kleine staafjes van de vloeistof, wanneer ze niet bewegen, normaal gesproken in een vrijwel perfecte formatie zijn uitgelijnd. Wanneer de vloeistof snel door het kanaal wordt gepompt, zijn de staven volledig in de war. Maar bij een langzamere tussenstroom beginnen de structuren te wiebelen en vervolgens geleidelijk te draaien als kleine propellers, waarbij de ene iets meer draait dan de andere.

Als de vloeistof langzaam blijft stromen, verzamelen de kronkelende kristallen zich in grote spiraalvormige structuren die onder de microscoop als strepen verschijnen.

"Er is een magische regio waar ze, als je ze zachtjes laat stromen, grote spiraalvormige structuren vormen", zegt Zhang.

De onderzoekers modelleerden de dynamiek van de vloeistof en ontdekten dat de grote spiraalvormige patronen ontstonden toen de vloeistof een evenwicht bereikte tussen twee krachten:viscositeit en elasticiteit. Viscositeit beschrijft hoe gemakkelijk een materiaal stroomt, terwijl elasticiteit in wezen aangeeft hoe waarschijnlijk het is dat een materiaal vervormt (bijvoorbeeld hoe gemakkelijk de staafjes van de vloeistof wiebelen en draaien).

"Wanneer deze twee krachten ongeveer hetzelfde zijn, zien we deze spiraalvormige structuren", legt Bischofberger uit. "Het is nogal verbazingwekkend dat individuele structuren, in de orde van nanometers, kunnen worden samengevoegd tot veel grotere structuren op millimeterschaal die zeer geordend zijn, gewoon door ze een klein beetje uit evenwicht te duwen."

Het team realiseerde zich dat de gedraaide assemblages een chirale geometrie hebben:als een spiegelbeeld van één spiraal zou worden gemaakt, zou het niet mogelijk zijn om dit over het origineel heen te plaatsen, ongeacht hoe de spiralen opnieuw waren gerangschikt. Het feit dat de chirale spiralen voortkwamen uit een niet-chiraal materiaal, en op niet-chirale wijze, is een primeur en wijst op een relatief eenvoudige manier om gestructureerde vloeistoffen te ontwikkelen.

"De resultaten zijn inderdaad verrassend en intrigerend", zegt Giuliano Zanchetta, universitair hoofddocent aan de Universiteit van Milaan, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Het zou interessant zijn om de grenzen van dit fenomeen te verkennen. Ik zie de gerapporteerde chirale patronen als een veelbelovende manier om periodiek optische eigenschappen op microschaal te moduleren."

"We hebben nu een aantal knoppen om deze structuur af te stemmen", zegt Bischofberger. "Dit zou ons een nieuwe optische sensor kunnen opleveren die op bepaalde manieren met licht interageert. Hij zou ook kunnen worden gebruikt als steigers om moleculen te laten groeien en te transporteren voor de toediening van medicijnen. We zijn verheugd om deze geheel nieuwe faseruimte te verkennen."

Meer informatie: Qing Zhang et al., Door stroming geïnduceerde periodieke chirale structuren in een achiraal nematisch vloeibaar kristal, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-43978-6

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Massachusetts Institute of Technology

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Waar worden mensen blij van?
  2. Zal klimaatverandering het risico op aflatoxine in Amerikaanse maïs vergroten?
  3. Knaagdieren zijn reservoirs voor levensbedreigende ziekten, vindt nieuwe studie
  4. Hoe een omgedraaid gen vlinders hielp mimicry te ontwikkelen
  5. Hoe metabolische herprogrammering in mitochondriën overleving en levensduur bevordert of ondermijnt
  6. leeuwen, chimpansees, haaien krijgen extra bescherming onder VN-verdrag
  7. Hoe kleine robots uw gezondheid van binnenuit kunnen verbeteren
  8. Genomics onthult hoe concurrentie tussen bacteriën de impact van vaccinatie beïnvloedt
  9. Relatie tussen celstructuur en functie

Wetenschap