Aterialer som kan utföra komplexa funktioner som svar på förändringar i miljön skulle kunna utgöra grunden för spännande ny teknik. Tänk på en kapsel implanterad i din kropp som automatiskt frigör antikroppar som svar på ett virus, en yta som frigör ett antibakteriellt medel när den utsätts för farliga bakterier, ett material som anpassar sin form när det behöver hålla en viss vikt, eller kläder som känner av och fångar upp giftiga föroreningar från luften.

Forskare och ingenjörer har redan tagit det första steget mot dessa typer av autonoma material genom att utveckla "aktiva" material som har förmågan att röra sig på egen hand. Nu, forskare vid University of Chicago har tagit nästa steg genom att visa att rörelsen i ett sådant aktivt material – flytande kristaller – kan utnyttjas och styras.

Denna proof-of-concept-forskning, publicerad 18 februari i tidningen Naturmaterial , är resultatet av tre års samarbete mellan grupperna av Profs. Juan de Pablo och Margaret Gardel i Pritzker School of Molecular Engineering vid University of Chicago, tillsammans med Vincenzo Vitelli, professor i fysik, och Aaron middag, professor i kemi.

Utnyttja egenskaperna hos flytande kristaller

Till skillnad från traditionella vätskor, flytande kristaller uppvisar en enhetlig molekylär ordning och orientering som erbjuder potential som byggstenar för autonoma material. Defekter i kristallerna är i huvudsak små kapslar som kan fungera som platser för kemiska reaktioner eller som transportkärl för last i en kretsliknande enhet.

För att skapa autonoma material som kan användas i teknologier, forskare behövde hitta ett sätt att få dessa material att själva driva sina defekter samtidigt som de kontrollerade rörelsens riktning.

För att göra "aktiva" flytande kristaller, forskarna använde aktinfilament, samma filament som utgör en cells cytoskelett. De tillsatte också motorproteiner, vilka är de proteiner som biologiska system använder för att utöva kraft i aktinfilament. Dessa proteiner "går" i huvudsak längs filamenten, får kristallerna att röra sig.

I detta fall, i samarbete med gruppen av prof. Zev Bryant vid Stanford University, forskarna utvecklade aktiva flytande kristaller som drivs av ljuskänsliga proteiner, vars aktivitet ökar när de utsätts för ljus.

Genom att använda avancerade datorsimuleringar av modeller utvecklade av de Pablo med postdoktorerna Rui Zhang och Ali Mozaffari, forskarna förutspådde att de kunde skapa defekter och manipulera dem genom att skapa lokala aktivitetsmönster i en flytande kristall.

Experiment ledda av Gardel och postdoktorerna Steven Redford och Nitin Kumar bekräftade dessa förutsägelser. Specifikt, genom att lysa en laser på olika regioner, forskarna gjorde dessa regioner mer eller mindre aktiva, därigenom kontrollera flödet av defekten.

De visade sedan hur detta kunde användas för att skapa en mikrofluidisk enhet, ett verktyg som forskare inom teknik, kemi, och biologi för att analysera små mängder vätskor.

Vanligtvis inkluderar sådana enheter små kammare, tunnlar och ventiler; med ett material som detta, vätskor kan transporteras autonomt utan pumpar eller tryck, öppna dörren för programmering av komplexa beteenden i aktiva system.

De upptäckter som presenteras i manuskriptet är betydelsefulla eftersom, tills nu, mycket av forskningen om aktiva flytande kristaller har fokuserats på att karakterisera deras beteende.

"I detta arbete har vi visat hur man kontrollerar dessa material, som kan bana väg för ansökningar, " sa de Pablo. "Vi har nu ett exempel där framdrivning på molekylär nivå har utnyttjats för att kontrollera rörelse och transport över makroskopiska skalor."

Skapa nya enheter från materialet

Detta proof-of-concept visar att ett system av flytande kristaller i slutändan skulle kunna användas som en sensor eller en förstärkare som reagerar på omgivningen. Nästa, forskarna hoppas kunna visa hur man bygger de nödvändiga elementen som behövs för att göra detta system till en krets som kan utföra logiska operationer på samma sätt som datorer gör.

"Vi visste att dessa aktiva material var vackra och intressanta, men nu vet vi hur man manipulerar dem och använder dem för intressanta applikationer, " sa de Pablo. "Det är väldigt spännande."