Håll ut händerna framför dig, och hur du än vrider dem är det omöjligt att lägga den ena över den andra. Våra händer är ett perfekt exempel på kiralitet – en geometrisk konfiguration genom vilken ett föremål inte kan överlagras på dess spegelbild.
Kiralitet finns överallt i naturen, från våra händer till arrangemanget av våra inre organ till DNA:s spiralstruktur. Kirala molekyler och material har varit nyckeln till många läkemedelsterapier, optiska enheter och funktionella metamaterial. Forskare har hittills antagit att kiralitet föder kiralitet - det vill säga kirala strukturer uppstår från kirala krafter och byggstenar. Men det antagandet kan behöva justeras om.
MIT-ingenjörer upptäckte nyligen att kiralitet också kan uppstå i ett helt icke-kiralt material och genom icke-kirala medel. I en studie publicerad 8 januari 2024 i Nature Communications , rapporterar teamet att de observerar kiralitet i en flytande kristall – ett material som flyter som en vätska och har oordnad, kristallliknande mikrostruktur som en fast substans.
De fann att när vätskan strömmar långsamt, samlas dess normalt icke-kirala mikrostrukturer spontant till stora, vridna, kirala strukturer. Effekten är som om ett transportband av kritor, alla symmetriskt inriktade, plötsligt skulle ordnas om till stora spiralmönster när bandet når en viss hastighet.
Den geometriska transformationen är oväntad, med tanke på att den flytande kristallen är naturligt icke-kiral, eller "achiral". Teamets studie öppnar därmed en ny väg för att generera kirala strukturer. Forskarna föreställer sig att strukturerna, när de väl bildats, skulle kunna fungera som spiralställningar för att montera intrikata molekylära strukturer. De kirala flytande kristallerna skulle också kunna användas som optiska sensorer, eftersom deras strukturella transformation skulle förändra hur de interagerar med ljus.
"Det här är spännande eftersom detta ger oss ett enkelt sätt att strukturera dessa typer av vätskor", säger studiens medförfattare Irmgard Bischofberger, docent i maskinteknik vid MIT. "Och från en grundläggande nivå är detta ett nytt sätt på vilket kiralitet kan uppstå."
Studiens medförfattare inkluderar huvudförfattaren Qing Zhang Ph.D. '22, Weiqiang Wang och Rui Zhang från Hong Kong University of Science and Technology, och Shuang Zhou från University of Massachusetts i Amherst.
En flytande kristall är en fas av materia som förkroppsligar egenskaper hos både en vätska och en fast substans. Sådana däremellan material flyter som vätska och är molekylärt strukturerade som fasta ämnen. Flytande kristaller används som huvudelementet i pixlar som utgör LCD-skärmar, eftersom den symmetriska inriktningen av deras molekyler kan växlas enhetligt med spänning för att tillsammans skapa högupplösta bilder.
Bischofbergers grupp vid MIT studerar hur vätskor och mjuka material spontant bildar mönster i naturen och i labbet. Teamet försöker förstå mekaniken bakom vätsketransformationer, som kan användas för att skapa nya, omkonfigurerbara material.
I sin nya studie fokuserade forskarna på en speciell typ av nematisk flytande kristall - en vattenbaserad vätska som innehåller mikroskopiska, stavliknande molekylära strukturer. Stängerna är normalt inriktade i samma riktning genom hela vätskan. Zhang var först nyfiken på hur vätskan skulle bete sig under olika flödesförhållanden.
"Jag provade det här experimentet för första gången hemma, 2020", minns Zhang. "Jag hade prover av vätskan och ett litet mikroskop, och en dag ställde jag bara in det på ett lågt flöde. När jag kom tillbaka såg jag det här riktigt slående mönstret."
Hon och hennes kollegor upprepade sina första experiment i labbet. De tillverkade en mikrofluidisk kanal av två glasskivor, åtskilda av ett mycket tunt utrymme och kopplade till en huvudreservoar. Teamet pumpade långsamt prover av den flytande kristallen genom behållaren och in i utrymmet mellan plattorna, och tog sedan mikroskopbilder av vätska när den strömmade igenom.
Liksom Zhangs första experiment observerade teamet en oväntad förvandling:Den normalt enhetliga vätskan började bilda tigerliknande ränder när den långsamt rörde sig genom kanalen.
"Det var förvånande att det bildade vilken struktur som helst, men ännu mer överraskande när vi faktiskt visste vilken typ av struktur den bildade", säger Bischofberger. "Det är där chiralitet kommer in."
Teamet upptäckte att vätskans ränder var oväntat kirala, genom att använda olika optiska och modelleringstekniker för att effektivt spåra vätskans flöde. De observerade att, när den inte rör sig, är vätskans mikroskopiska stavar normalt inriktade i nästan perfekt formation. När vätskan pumpas genom kanalen snabbt är stavarna i fullständig oordning. Men vid ett långsammare flöde mittemellan börjar strukturerna vicka och vrider sig sedan gradvis som små propellrar, var och en snurrar något mer än den andra.
Om vätskan fortsätter sitt långsamma flöde, samlas de vridande kristallerna till stora spiralstrukturer som visas som ränder under mikroskopet.
"Det finns den här magiska regionen, där om du bara försiktigt får dem att flyta, så bildar de dessa stora spiralstrukturer," säger Zhang.
Forskarna modellerade vätskans dynamik och fann att de stora spiralmönstren uppstod när vätskan kom fram till en balans mellan två krafter:viskositet och elasticitet. Viskositet beskriver hur lätt ett material flyter, medan elasticitet i huvudsak är hur sannolikt ett material är att deformeras (till exempel hur lätt vätskans stavar vickar och vrider sig).
"När dessa två krafter är ungefär likadana, det är då vi ser dessa spiralstrukturer," förklarar Bischofberger. "Det är ganska häpnadsväckande att enskilda strukturer, i storleksordningen nanometer, kan sättas ihop till mycket större, millimeterskaliga strukturer som är mycket ordnade, bara genom att pressa dem lite ur jämvikt."
Teamet insåg att de vridna sammansättningarna har en kiral geometri:Om en spegelbild gjordes av en spiral skulle det inte vara möjligt att lägga den över originalet, oavsett hur spiralerna arrangerades om. Det faktum att de kirala spiralerna uppstod från ett icke-kiralt material, och genom icke-kirala medel, är en första och pekar på ett relativt enkelt sätt att konstruera strukturerade vätskor.
"Resultaten är verkligen överraskande och spännande", säger Giuliano Zanchetta, docent vid universitetet i Milano, som inte var involverad i studien. "Det skulle vara intressant att utforska gränserna för detta fenomen. Jag skulle se de rapporterade kirala mönstren som ett lovande sätt att periodiskt modulera optiska egenskaper i mikroskala."
"Vi har nu några rattar för att justera den här strukturen," säger Bischofberger. "Detta kan ge oss en ny optisk sensor som interagerar med ljus på vissa sätt. Den kan också användas som byggnadsställningar för att odla och transportera molekyler för läkemedelsleverans. Vi är glada över att utforska hela detta nya fasutrymme."
Mer information: Qing Zhang et al, Flödesinducerade periodiska kirala strukturer i en akiral nematisk flytande kristall, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-43978-6
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
