Flytande kristaller används ofta i tekniker som skärmar, som manipulerar sin orientering för att visa färger över hela spektrat.

I traditionella skärmar, flytande kristaller är stationära och enhetliga, fri från defekter. Men den stillheten kan ändras genom att lägga till bakterier till kristallerna, skapa vad forskare och ingenjörer kallar "levande flytande kristaller":material som kan agera autonomt. När bakterier simmar runt den flytande kristallen, de genererar "defekter" som kan användas för tekniska ändamål.

Forskare vid Pritzker School of Molecular Engineering vid University of Chicago, tillsammans med kollegor vid UChicago-anslutna Argonne National Laboratory, har visat hur detta material blir aktivt och oordnat genom denna process, skapa blommönster från böjningsinstabiliteter som så småningom leder till skapandet av defekter. Men resultaten är inte bara estetiska:De är ett viktigt steg mot att förstå hur man i slutändan kontrollerar detta material för framväxande teknologier som är beroende av defektbildning.

"Uppkomsten av dessa instabiliteter har varit ett ämne för stor debatt, och nu förstår vi verkligen hur denna process fungerar, vilket i slutändan kommer att leda till att kontrollera hur detta material beter sig, sa Juan de Pablo, Liew familjeprofessor i molekylär teknik och medförfattare till forskningen, nyligen publicerad i tidskriften Fysisk granskning X .

Förstå mönsterbildning

Levande flytande kristaller är ett exempel på material som kan agera på egen hand. I naturen, dessa material är ansvariga för cellernas rörlighet. Proteiner i cellerna "går" längs ytan av polymermolekyler och utövar en kraft som orsakar förskjutning och rörelse.

"Det finns ett stort intresse för dessa material eftersom de är komplexa, vacker och relevant, sa de Pablo, vice ordförande för nationella laboratorier. "Men vi vill förstå hur rörelse och transport genereras inom dem."

I labbet, ett sätt att skapa ett självständigt material som detta är att kombinera en flytande kristall med bakterier, som sedan orsakar oordning bland de flytande kristallerna när de rör sig.

För att studera hur materialet blir aktivt, forskarna kombinerade simbakterier med en flytande kristall i två format:nära bottenytan av en droppe upphängd i en nål fäst på en glasskiva, och i en tunn, fristående film.

Även om bakterierna och flytande kristallerna initialt var inriktade genom ett magnetfält, när fältet stängdes av, bakterierna började röra sig av sig själva, vilket resulterar i "böjinstabiliteter". Dessa instabiliteter såg ut som kronblad på en blomma eller grenar som strålade ut från ett träd. Antalet grenar styrdes av bakteriens aktivitet.

"Instabiliteterna blev mer och mer framträdande ju längre tiden går, tills systemet så småningom blir helt oordnat, sa de Pablo.

Genom dessa experiment och beräkningssimuleringar, forskarna upptäckte hur dessa instabiliteter bildas genom töjning och geometri, och utvecklade därför en metod för att skapa och positionera böjinstabiliteterna.

Styrkristaller för framtida teknologier

Forskarna hoppas kunna använda denna information för att fullt ut kunna kontrollera dessa levande flytande kristaller. Det skulle tillåta dem att så småningom skapa en ny typ av mikrofluidisk enhet som transporterar vätskor autonomt utan pumpar eller tryck, eller att skapa syntetiska system som liknar celler och som kan röra sig autonomt från en plats till en annan.

"Vi har en verklig möjlighet att kontrollera dessa material och använda dem för intressanta nya teknologier, sa de Pablo.