Liquid Crystals (LC) används i stor utsträckning inom displayteknik och optiska fibrer. Från smartphones i dina fickor till storbilds -TV, LC finns överallt, eftersom detta speciella tillstånd har hittats i färgglada såpbubblor samt vissa levande vävnader.

Men LC är inte på något sätt begränsad till användning i prylar eller elektroniska enheter. Under ganska lång tid, forskare har studerat möjligheten att skapa "aktiv nematik, "en särskild klass av aktiva LC:er, som består av självdrivna enheter som kan omvandla kemisk eller annan form av energi till rörelse. När de ges rätt stimuli, forskare har funnit att de kan generera ett förutsägbart svar från olika LC, vilket möjliggör design av smarta, multifunktionella materialsystem, såsom ett bakteriedödande flerfassystem som kan självreglera och rapportera förekomst och eliminering av patogener. Tidigare studier har visat att ljusmönster kan utnyttjas för att styra skapandet och rörelsen av topologiska defekter i LC, som kan fungera som lastbärare eller signalsändare som ytterligare förbättrar materialets respons.

Deras resultat publicerades i tidskriften Naturmaterial den 18 februari, 2021. Arbetet var ett framgångsrikt samarbete mellan flera forskargrupper, inklusive professorerna Juan de Pablo, Margaret Gardel, Vincenzo Vitelli och Aaron Dinner från University of Chicago och professor Zev Bryant från Stanford University.

Att utforma väldefinierade strukturer i vätskor kan i princip möjliggöra konstruktion av funktioner som annars bara är möjliga i fasta material. Befintliga ansträngningar för detta mål är ofta beroende av flera komponenter eller faser som är långt ifrån jämvikt och svåra att kontrollera, och därmed begränsa deras tillämpning.

Att introducera lokal aktivitet i sådana vätskestrukturer skulle därför kunna öppna möjligheter för ett brett spektrum av applikationer, till exempel, efterlikna cellers beteende. Dock, att manipulera dessa inbäddade eller skulpterade strukturer är fortfarande svårt. Tack vare det underliggande lokala molekylära orienteringsfältet, topologiska defekter i LC representerar stabila inhomogena strukturer, vilket kan tillåta inbäddning av flexibla strukturer i ett flytande medium.

"Aktiva LC:er är ett framväxande fält, och många fenomen återstår att belysa och tillämpa, "sade professor Zhang Rui, Docent vid Institutionen för fysik, HKUST, som är en av medförfattarna till forskningen. "Vår studie undersökte olika aktiva LC -system, inklusive naturliga system, såsom cellkolonier, biopolymerer och bakterier, samt syntetiska system, som efterliknar de adaptiva och autonoma beteenden som finns i levande materia. "

Studien, som nyligen publicerades i Naturrecensioner Material , avslöjar att olika typer av aktiva LC -system alla uppvisar slående likheter med varandra men, mer viktigt, dessa system uppvisar en hög känslighet för miljön, såsom gränssnittshändelser, vilket gör dem potentiellt programmerbara och autonoma för ett brett spektrum av applikationer.

"Känsligheten för gränssnittshändelser, såsom temperaturgradienter och hydrodynamiska flöden, kan utnyttjas för detektion av joniska arter, gaser, toxiner, och bakterier, "noterade Zhang." Genom att konstruera motsvarande gränssnitt, vi kan förmedla en övergående aktivitet till dessa LC -system, vilket skulle göra dessa självgående LC:er till en potentiell kandidat för applikationer som mikroreaktordesign och riktad läkemedelsleverans. "

"Vi visste att dessa aktiva material var vackra och intressanta, men nu vet vi hur man manipulerar dem och använder dem för intressanta applikationer, "säger professor Juan de Pablo, vice ordförande och professor i molekylär teknik vid University of Chicago, en motsvarande författare till studien sa. "Det är mycket lovande."

"Aktiva material är lovande i den meningen att de inte behöver kommunikation i realtid, mänskligt ingripande, och extern strömförsörjning, "säger Zhang. I framtiden, Zhang -gruppen kommer att fortsätta att samarbeta med Chicago -gruppen för att undersöka möjligheten till logiska operationer genom dessa aktiva flytande kristaller, vilket kan leda till ett tillämpligt autonomt material som kan beräkna och vidta nödvändiga åtgärder utifrån deras beräkningar. "Med förverkligandet av sådana intelligenta material, vi behöver inte läsa manualen för ett läkemedel, och kapseln skulle bestämma hur mycket dos som ska släppas i kroppen; eller ditt fönster kan bestämma färg och om det ska öppnas även i en katastrofal händelse inklusive en strömavbrott, säger Zhang.