Flytande kristaller - ungefär som de som bildar dessa ord på datorskärmar - skulle kunna ställas in för att bekämpa bakterier eller smutskasta komprometterad elektronik genom att reagera på subtila förändringar i deras miljö med små, uppmätta doser av vätska eller fasta ämnen.

Forskare vid University of Wisconsin–Madison har utvecklat flytande kristallfilmer och -droppar som kan hålla ett brett spektrum av "mikro-last" tills deras frigöring uppmärksammas av kroppsvärme eller en ljusstråle eller till och med av simmande mikroorganismer.

Tricket är att utnyttja hur flytande kristaller kan organiseras, som UW–Madison professor i kemisk och biologisk ingenjörsteknik Nick Abbott och medlemmar av hans labb beskriver idag i tidskriften Natur .

"I en typisk vätska, som vatten, molekylerna är alla röriga. En flytande kristall är också en vätska, men molekylerna radar upp sig. Och de ställer upp över mycket långa avstånd, så länge som 100, 000 molekylära längder, " säger Abbott. "Det faktum att de ställer upp på det sättet ger upphov till mekaniska egenskaper - det vi kallar elasticitet. Vi manipulerar den elasticiteten."

I en flytande kristallskärm som en TV-skärm, orienteringen av den flytande kristallen ändras genom att ett elektriskt fält appliceras. Olika orienteringar ändrar färgerna och formerna på skärmen. Abbotts innovation drar fördel av liknande känsliga flytande kristallfilmer.

"Inuti filmen, vi har lagt små droppar som innehåller något aktivt ämne. De är ungefär en mikrometer eller så stora, en liten vattenpool, " säger han. "Du kan fånga dessa droppar inuti filmen av flytande kristaller, och som svar på stimuli, vi kan kasta ut dem."

Forskarna suspenderade små doser av en antibakteriell förening i en flytande kristallfilm medan kristallens molekyler var uppradade i en riktning i förhållande till filmens yta och sedan nedsänkte filmen i vatten med några bakterier.

"Bakterier rör sig vanligtvis med en flagella, en sorts svans de roterar som driver dem genom vätska, " säger Abbott. "Vad vi kunde visa är att om bakterier kommer ner till filmens yta, rörelsen av deras flageller överför en skjuvspänning på filmen."

Spänningen stör den flytande kristallens orientering. När dess molekyler vacklar ur riktning och omorienterar, de tillåter blobbar av mikrolasten att glida ut ur filmen för att blandas med vattnet. Förändringen i inriktningen av den flytande kristallen genererar också en optisk signal, rapportera om bakteriernas ankomst.

"Närvaron av bakterier frisätter det antibakteriella medlet. När medlet dödar bakterierna, bakterierna slutar röra sig, så släppet stannar, " säger Abbott. "Det är det som är intressant. Jag känner inte till något annat material som har den här egenskapen, denna typ av intern kontroll som är inneboende i dess struktur."

Andra metoder för att släppa ut små mängder läkemedel eller kemikalier tenderar att kräva kontroll från elektronik och rörliga delar i små ventiler, eller så släpper de all sin last i ett enda skott eller oprecisa mängder – till skillnad från flytande kristaller, som kan upprepa leverans i exakta kvantiteter.

"Ett vanligt sätt att hantera bakteriell kontaminering är bara att laka in bakteriella medel i en lösning eller på en yta, men du läcker ut dem oavsett om bakterierna finns där eller inte, säger Abbott, vars arbete stöds av U.S. Army Research Office och National Science Foundation. "Detta material kan sitta vilande under mycket lång tid, inte släppa något. Det är bara i närvaro av en signal från sin omgivning - som rörelsen av levande bakterier - som det skulle släppa ut sitt medel."

Abbott – och postdoktorn Young-Ki Kim, nyutexaminerade studenter Xiaoguang Wang och Emre Bukusoglu, och grundutbildningen Pranati Mondkar – visade också att värmen från ytan på ett finger kan få flytande kristaller att frigöra mikrolast, och Abbott säger att filmerna eller dropparna kan dopas med molekyler som gör dem ljuskänsliga eller reagerar på en elektrisk laddning som en LCD-skärm.

Det finns en annan praktisk funktion som filmerna delar med LCD-skärmar.

"Den kan berätta när mikrolasten släpps, Abbott säger, "eftersom det också genereras en optisk signal när den flytande kristallen omorienteras. Den är självreglerande och självrapporterande."

Filmerna kan använda den här inbyggda signalen för att meddela hur många gånger de har släppt last – eller när de har tagit slut.

Medan Natur studien använde en antibakteriell applikation som en demonstration, Abbott tror att flytande kristaller kan vara användbara i alla möjliga tillämpningar - från att dela ut medicin för att lindra stressen från ett sammandraget blodkärl, att släppa ut frätande vätskor för att självförstöra kretsarna i en komprometterad dator.