Nowe badania ujawniają, że ciekłe kryształy mogą tworzyć dynamiczne struktury naśladujące biologiczne systemy transportu, co sugeruje potencjalne zastosowania w tworzeniu materiałów samoorganizujących się i modelowaniu systemów biologicznych.
Ciekłe kryształy są wszędzie. Są wykorzystywane w wielu zastosowaniach, takich jak ekrany telefonów komórkowych, konsole do gier wideo, deski rozdzielcze samochodów i urządzenia medyczne. Ze względu na unikalne właściwości tych płynów, jeśli przepuścisz prąd elektryczny przez wyświetlacze ciekłokrystaliczne (LCD), wygenerują one kolory: zmienią swój kształt i będą odbijać różne długości fal światła.
Nowe odkrycia w strukturach ciekłokrystalicznych
Teraz naukowcy z laboratorium Chinedum Osuji, profesora prezydenta Eduardo D. Glandta i katedry inżynierii chemicznej i biomolekularnej, odkryli, że te niezwykłe kryształy mogą potrafić jeszcze więcej. W odpowiednich warunkach ciekłe kryształy kondensują się w zadziwiające struktury, spontanicznie wytwarzając włókna i spłaszczone dyski, które mogą przenosić materiał z jednego miejsca do drugiego, podobnie jak złożone systemy biologiczne. Ta wiedza może prowadzić do samoorganizujących się materiałów, nowych sposobów modelowania aktywności komórkowej i nie tylko.
„To jest jak sieć przenośników taśmowych” – mówi Christopher Browne, badacz ze stopniem doktora w laboratorium Osuji i współpierwszy autor niedawnego artykułu w Postępowanie Narodowej Akademii Nauk (PNAS), który opisuje odkrycie. „To była nieoczekiwana obserwacja czegoś, co na pierwszy rzut oka wygląda bardzo realistycznie – to była pierwsza wskazówka, że może to być coś bardziej ogólnego i interesującego”.
Wspólne badania nad powstawaniem kondensatu
Browne i Osuji są teraz częścią Grupa interdyscyplinarna wspierana przez NSF na Laboratorium Badań Struktury Materii (LRSM) kierowana przez Matthew Gooda, profesora nadzwyczajnego biologii komórkowej i rozwojowej w Perelman School of Medicine oraz Elizabeth Rhoades, profesor chemii w School of Arts & Sciences, która bada powstawanie kondensatów w układach biologicznych i niebiologicznych.
Niezwykłe zachowanie w separacji faz ciekłokrystalicznych
Pierwotnie laboratorium Osuji nawiązało współpracę z firmą ExxonMobil w celu zbadania smoły mezofazowej – substancji wykorzystywanej do opracowywania wysokowytrzymałych włókien węglowych, takich jak te stosowane w samochodach Formuły 1 i wysokiej klasy rakietach tenisowych. „Te materiały to ciekłe kryształy” – mówi Osuji o chemicznych prekursorach samych włókien węglowych. „Albo lepiej mówiąc, są one ciekłokrystaliczne przez pewien okres ich istnienia podczas przetwarzania”. Eksperymentując z kondensatami w różnych temperaturach, Yuma Morimitsu, inny doktorant w Osuji Lab i drugi współautor artykułu, zauważył niezwykłe zachowanie materiału.
Zwykle, jeśli połączysz dwa niemieszające się – to znaczy nie dające się zmieszać – płyny, a następnie podgrzejesz je do wystarczająco wysokiej temperatury, aby wymusić ich wymieszanie, a następnie ochłodzisz mieszaninę, w pewnym momencie ulegnie ona rozdzieleniu lub „rozmieszaniu”. Zwykle dzieje się to poprzez tworzenie się kropelek, które łączą się, tworząc oddzielną warstwę, podobnie jak po połączeniu oleju i wody ostatecznie powstaje warstwa oleju na powierzchni wody.
Film pokazujący powstawanie kondensatów ciekłokrystalicznych — po prawej stronie zastosowano fałszywe kolory w celu rozróżnienia włókien (jasnoniebieski) i spłaszczonych krążków (żółty). Wideo jest odtwarzane w czasie rzeczywistym z 60-krotnym powiększeniem i 5-krotnym powiększeniem. Źródło: Christopher Browne, Chinedum Osuji
Unikalna separacja faz i formowanie strukturalne
W tym przypadku ciekły kryształ, 4′-cyjano-4-dodecyloksybifenyl, znany również jako 12OCB, samoistnie tworzył bardzo nieregularne struktury podczas oddzielania się od skwalanu, bezbarwnego oleju. „Zamiast tworzyć krople”, mówi Osuji, „kiedy występuje separacja faz między ciekłym kryształem a innymi składnikami układu, tworzy się struktury kaskadowe, z których pierwszym są włókna, które szybko rosną, a następnie tworzą inny zestaw struktur — tego, co nazywamy wybrzuszonymi dyskami lub płaskimi kropelkami”.
Obserwacje i implikacje zachowania ciekłych kryształów
Aby zrozumieć system, naukowcy wykorzystali potężne mikroskopy i obserwowali ruch ciekłych kryształów w skali mikrometrycznej, czyli milionowych części metra, porównywalnej z szerokością ludzkiego włosa. „Kiedy pierwszy raz zobaczyliśmy te struktury, przyglądaliśmy się im ze zbyt dużą szybkością chłodzenia” – wspomina Osuji, powodując zlepianie się ciekłych kryształów. Dopiero poprzez zmniejszenie szybkości chłodzenia i dalsze przybliżanie badacze zdali sobie sprawę, że ciekłe kryształy spontanicznie tworzyły struktury przypominające układy biologiczne.
Co ciekawe, Browne odkrył, że kilku badaczy było blisko zaobserwowania podobnego zachowania kilkadziesiąt lat temu, ale albo badali systemy, w których zachowanie to nie było szczególnie wyraźne, albo brakowało im mikroskopii wystarczająco mocnej, aby zwizualizować, co się dzieje.
Potencjalne zastosowania i przyszłe badania
Dla Browne’a najbardziej ekscytującą implikacją wyniku jest to, że łączy kilka tradycyjnie odmiennych dziedzin: świat badań nad materią aktywną, który koncentruje się na układach biologicznych transportujących materię i wytwarzających ruch, oraz sferę samoorganizacji i zachowań fazowych, które badają materiały, które samodzielnie tworzą nowe struktury i zachowują się inaczej przy zmianie fazy. „To nowy typ układu materii czynnej” – mówi Browne.
On i Osuji wskazują również na możliwość wykorzystania odkryć do naśladowania systemów biologicznych, aby lepiej zrozumieć ich działanie lub wytworzyć materiały. „Cząsteczki są wchłaniane przez włókna, a następnie w sposób ciągły przenoszone do tych płaskich kropelek” – mówi Osuji – „mimo że samo spojrzenie na układ nie pozwala dostrzec żadnej oczywistej aktywności”. W efekcie płaskie kropelki mogłyby działać jak małe reaktory, wytwarzając cząsteczki, które włókna przenoszą do innych kropelek w celu ich przechowywania lub dalszej aktywności chemicznej.
Naukowcy sugerują również, że ich odkrycia mogą ożywić badania nad samymi ciekłymi kryształami. „Kiedy dziedzina ulega uprzemysłowieniu” – mówi Browne – „często badania podstawowe zanikają. Czasem jednak pozostają zagadki, których nikt nie dokończył.
Odniesienie: „Spontaniczny montaż sieci kondensatu podczas demiksowania płynów strukturalnych” Yuma Morimitsu, Christopher A. Browne, Zhe Liu, Paul G. Severino, Manesh Gopinadhan, Eric B. Sirota, Ozcan Altintas, Kazem V. Edmond i Chinedum O Osuji, 13 września 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2407914121
Badanie to przeprowadzono na Uniwersytet Pensylwaniina Wydziale Inżynierii Chemicznej i Biomolekularnej Szkoły Inżynierii i Nauk Stosowanych, na Wydziale Fizyki i Astronomii School of Arts & Sciences oraz w Dziale Badań ExxonMobil. Prace finansowano z grantu firmy ExxonMobil oraz amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki (DMR-2309043).
