自主材料：研究人员在自推进液晶中设计模式

新的研究表明，可以利用和指导液晶的运动，朝向可以感测输入，放大信号甚至计算信息的自主材料的步骤。

能够响应环境变化能够执行复杂功能的材料可以为令人兴奋的新技术构成基础。思考植入体内的胶囊，自动释放抗体响应于病毒，在暴露于危险细菌时释放抗菌剂的表面，这种材料在需要维持特定的重量或感应的衣服时适应其形状并捕获空气中有毒的污染物。

科学家和工程师已经通过开发了能够自行移动的“活跃”材料来朝着这些类型的自主材料迈向这些类型的自主材料。现在，芝加哥大学的研究人员通过表明可以利用和指导一个这样的活性材料 - 液晶 - 液体中的运动来参加下一步。

这项概念验证研究，于2021年2月18日出版，在自然材料期刊，是三年的合作工作，由分子工程和玛格丽特·加德尔，霍勒斯玛格丽特图B. Horton物理和分子工程教授，以及Vincenzo Vitelli，物理学教授和亚伦晚餐，化学教授。

利用液晶的性质

与传统的液体相比，液晶表现出均匀的分子阶和定向，可作为自主材料的构建块提供潜力。晶体内的缺陷基本上是微小的胶囊，其可以作为化学反应的部位或作为电路装置中货物的运输容器。

为了创建可用于技术的自主材料，科学家需要找到一种方法来让这些材料自我推进它们的缺陷，同时控制运动的方向。

为了使“活性”液晶，研究人员使用肌动蛋白长丝，相同的长丝构成细胞的细胞骨架。它们还在电机蛋白中添加，这些蛋白质是生物系统用来在肌动蛋白长丝中施加力的蛋白质。这些蛋白质基本上“走路”沿着长丝，导致晶体移动。

“在这项工作中，我们展示了如何控制这些材料，这可能为应用程序铺平道路。”

-prof。 Juan de Pablo.

在这种情况下，与斯坦福大学Zev Bryant小组合作，研究人员开发了由光敏蛋白质供电的活性液晶，其活性在暴露于光线时增加。

研究人员使用De Pablo开发的De Pablo开发的模型的高级计算机模拟，研究人员预测，他们可以通过在液晶中创造局部活动模式来创造缺陷并操纵它们。

由Gardel和Postdoctoral Courtows的实验史蒂文雷福德和尼辛库姆尔证实了这些预测。具体地，通过在不同地区发光激光，研究人员更加或更少的区域使这些区域进行了活跃，从而控制缺陷的流动。

然后，他们展示了如何用于创建微流体装置，该装置是研究人员，化学和生物学用作分析少量液体的工具。

通常，这种装置包括微小的腔室，隧道和阀门;利用这样的材料，流体可以自动地运输而没有泵或压力，打开用于将复杂行为编程到有源系统的门。

稿件中提出的发现是显着的，因为直到现在，关于活性液晶的大部分研究已经集中在表征其行为。

“在这项工作中，我们已经表明了如何控制这些材料，这可能会为应用程序铺平道路，”De Pablo说。“我们现在有一个例子，其中利用分子水平推进以控制运动和运输在宏观尺度上。”

从材料创建新设备

该概念证明表明，液晶系统最终可能用作传感器或对环境反应的放大器。接下来，研究人员希望展示如何构建使该系统成为能够以与计算机的方式执行逻辑操作的电路所需的必要元素。

“我们知道这些活跃的材料是美丽而有趣的，但现在我们知道如何操纵它们并将它们用于有趣的应用程序，”De Pablo说。“这非常令人兴奋。”

本文的其他作者包括Sasha Zemsky Andpaul V.Ruijgrok的斯坦福国。这项合作努力是由Uchicago材料研究科学和工程中心启用的。Gardel，Vitelli和晚餐是詹姆斯弗兰克研究所的成员。

参考：“天空铸造液晶结构和动态通过活动模式”瑞张，斯蒂文A. Redford，Paul V.Ruijgrok，Nitin Kumar，Ali Mozaffari，Sasha Zemsky，Aaron R.晚餐，Vincenzo Vitelli，Zev Bryant，Margaret L. Gardel和Juan J. de Pablo，2月2021年2月18日，自然材料.DOI：
10.1038 / S41563-020-00901-4

资金：国家科学基金会