"Levande" flytande kristaller kombinerar egenskaperna hos konstgjorda flytande kristaller med egenskaper hos simmande bakterier. Forskare byggde en exakt modell av hur kristallerna styr rörelsen, transport och position av simmande bakterier. Modellen kan också simulera hur andra partiklar beter sig i den levande kristallen. Nu, forskare kan kombinera modellen med on-demand-syntes och förmågan att styra defekter som leder bakterierna eller partiklarna. Resultatet? Detta arbete kan leda till självläkande och formförändrande material. Materialen kan hantera komplexa processer, som att producera kraft.

Denna upptäckt kan leda till design och syntes av nya självläkande material genom att kontrollera defekter i levande kristaller. Också, detta arbete utökar de verktyg som behövs för att, en dag, skapa självreglerande "maskiner". Dessa maskiner kan anpassa befintliga komponenter för olika ändamål efter behov eller reagera på stress utan att stanna. Till sist, detta arbete ökar forskarnas kunskap om system som inte är i jämvikt, som är involverade i allt från energiproduktion till sanering av avfall.

Fågelflockar, fiskstim och självgående vätskeblandningar som samarbetar organiserar och rör sig som svar på interna eller externa signaler anses alla vara aktiv substans. En ny klass av aktiva ämnen, kallas "levande" flytande kristaller, överbrygga egenskaperna hos livlösa och levande material genom att kombinera bakteriesimmare och giftfria flytande kristaller. Topologiska defekter i dessa kristaller spelar en kritisk roll. Defekterna styr hur kristallerna sätts ihop och hur bakterierna transporteras. Att hantera utseendet och placeringen av dessa defekter ger en användbar spak för att manipulera komponenter och egenskaper.

Forskare från Argonne National Laboratory upptäckte ett nytt koncept för att transportera och fånga mikroskopiska bakterier eller konstgjorda simmare i en flytande kristall. De utvecklade en beräkningsmodell som exakt återger experimentella observationer av dynamiken i topologiska defekter i flytande kristall. Modellen förutsäger också ackumulering eller utvisning av simmare från kärnorna av olika topologiska defekter. Fluorescerande bakterier suspenderades i en vattenbaserad flytande kristall. Liknar biltrafik på motorvägar, bakterier simmade längs vissa riktningar parallellt med orienteringen av flytande kristallmolekyler. Topologiska defekter i flytande kristaller fungerade effektivt som vägkorsningar längs dessa motorvägar som vägledde och koncentrerade eller stötte bort simmare. Direkt relaterad till topologin i den defekta kärnan, bakterierna ackumulerades nära T-formade defekter där flytande kristallorienterade strömlinjer (eller "motorvägar") och simmarbanor konvergerar. För Y-formade defekter, strömlinjer är organiserade så att simmarna antingen reser bort från kärnan på egen hand eller böjs bort från kärnan helt och hållet. Ackumulering och utarmning av simmare i kärnorna förändrar avsevärt defektdynamiken. Viktigt, modellen korrelerar exakt omkonfigurationen av strömlinjerna av flytande kristaller och topologiska defektorienteringar tillsammans med förändringar i defektpopulationen relaterade till koncentrationen av simmare.