Smart glas, övergångslinser och stämningsringar är inte de enda sakerna som är gjorda av flytande kristaller; slem, snigelslem och cellmembran innehåller dem också. Nu, ett team av forskare försöker bättre förstå hur flytande kristaller, i kombination med bakterier, forma levande material och hur de två interagerar för att organisera och röra sig.

"En av idéerna vi kom på var material som lever, " sa Igor S. Aronson, innehavare av Huck-stolen och professor i biomedicinsk teknik, Kemi och matematik. Levande materia, aktiv materia kan vara självläkande och formförändrande och kommer att omvandla energi till mekanisk rörelse."

Det levande materialet Aronson utforskar med hjälp av prediktiva beräkningsmodeller och experiment består av en bakterie – Bacillus subtilis – som kan röra sig snabbt med sin långa flageller och en nematisk flytande kristall – dinatriumkromoglykat. Flytande kristaller som material sitter någonstans mellan en vätska och en fast substans. I detta fall, molekylerna i dinatriumkromoglykat radas upp i långa parallella rader, men är inte fixerade på plats. Kan röra sig, de förblir orienterade i endast en riktning om de inte störs.

Enligt Aronson, denna typ av flytande kristaller påminner mycket om ett rakt plöjt fält med åsarna molekylerna och fårorna områdena däremellan.

Tidigare fann forskarna att dessa små bakterier i ett flytande kristallmaterial kan trycka last - små partiklar - genom kanalerna i en flytande kristall och röra sig med fyra gånger sin kroppslängd i små koncentrationer, men konservativt, vid 20 gånger sin kroppslängd i stort antal.

"En framträdande egenskap hos kombinationen av en flytande kristall och bakterier är att vid en bakteriekoncentration på cirka 0,1 volymprocent börjar vi se ett kollektivt svar från bakterierna, sa Aronson.

Denna typ av levande material är inte bara en kombination av två komponenter, men de två delarna skapar något med ovanlig optisk, fysiska eller elektriska egenskaper. Dock, det finns inget direkt samband mellan bakterierna och vätskan. Forskarnas datormodeller visade kollektivt beteende i deras system liknande det som ses i faktiska flytande kristaller/bakteriekombinationer.

De prediktiva beräkningsmodellerna för detta flytande kristallbakteriesystem visar en förändring från raka parallella kanaler när endast en liten bakteriepopulation existerar, till en mer komplex, organiserad, aktiv konfiguration när bakteriepopulationerna är högre. Även om mönstren alltid förändras, de tenderar att bilda pekfel – pilformer – som fungerar som fällor och koncentrerar bakterier i ett område, och triangeldefekter som leder bort bakterier från området. Ökad bakteriekoncentration ökar bakteriernas hastighet och konfigurationer i områden med högre bakteriepopulation förändras snabbare än i områden med färre bakterier. Aronson och hans team tittade på levande flytande kristallmaterial på ett något annat sätt än tidigare. De ville att den tunna flytande kristallfilmen skulle vara oberoende, inte röra någon yta, så de använde en anordning som skapade filmen – på ett sätt som liknar det som användes för att skapa stora såpbubblor – och hängde bort den från ytkontakt. Detta tillvägagångssätt visade mönster av defekter i materialets struktur.

Experiment med tunna filmer av flytande kristaller och bakterier gav samma resultat som beräkningsmodellerna, enligt forskarna.

En annan effekt som forskarna fann var att när syre togs bort från systemet, det levande materialets verkan upphörde. Bacillus subtilis finns vanligtvis på platser med syre, men kan överleva i miljöer utan syre. Bakterierna i det levande materialet dog inte, de slutade helt enkelt röra sig tills syre återigen var närvarande.

Forskarna rapporterade i Fysisk granskning X att deras "fynd tyder på nya metoder för att fånga och transportera bakterier och syntetiska simmare i anisotropa vätskor och utökar en mängd verktyg för att kontrollera och manipulera mikroskopiska föremål i aktiv materia." Eftersom vissa biologiska ämnen som slem och cellmembran ibland är flytande kristaller, denna forskning kan ge kunskap om hur dessa biologiska ämnen interagerar med bakterier och kan ge insikter om sjukdomar som beror på bakteriell penetration i slem.