PNAS: Жидкие кристаллы в движении имитируют биологические системы

Жидкие кристаллы используются повсеместно: в экранах мобильных телефонов и игровых приставок, приборных панелях автомобилей и медицинских приборах.

ЖК-дисплеи становятся цветными, когда через них пропускают электрический ток. Это происходит благодаря уникальным свойствам жидких кристаллов: они меняют форму и по-разному отражают свет.

Недавно лаборатория Чинедума Осуджи выяснила, что эти молекулы способны на большее. При определённых условиях жидкие кристаллы могут образовывать нити и сплюснутые диски. Эти структуры способны переносить материал из одного места в другое подобно сложным биологическим системам.

Это открытие может привести к созданию самособирающихся материалов и новым способам моделирования клеточной активности.

Кристофер Браун, постдокторский исследователь в лаборатории Осуджи и соавтор недавней статьи в Proceedings of the National Academy of Sciences, говорит, что это похоже на сеть конвейерных лент. Он заметил нечто похожее на жизнь, и это стало сигналом к тому, что открытие может быть чем-то более общим и интересным.

Браун и Осуджи входят в междисциплинарную группу Лаборатории исследований структуры материи (LRSM) под руководством Мэтью Гуда и Элизабет Роудс. Гуд — доцент клеточной биологии и биологии развития в Медицинской школе Перельмана, а Роудс — профессор химии в Школе искусств и наук. Они изучают образование конденсата в биологических и небиологических системах.

Лаборатория Осуджи сотрудничала с ExxonMobil и исследовала мезофазную смолу — вещество для создания высокопрочных углеродных волокон, которые используются в автомобилях Формулы-1 и теннисных ракетках.

Осуджи говорит, что эти материалы — жидкие кристаллы, они становятся жидкокристаллическими на время обработки. Юма Моримицу, сотрудник лаборатории Осуджи, заметил необычное поведение материала во время экспериментов с конденсатами при разных температурах.

Если совместить две жидкости, которые не смешиваются, а затем нагреть смесь до высокой температуры, то при охлаждении эти жидкости вновь разделятся. Обычно это происходит так: вещества образуют два слоя, например, слой масла поверх воды.

Жидкий кристалл 4'-циано-4-додецилоксибифенил (12OCB) в сочетании с бесцветным маслом (скваланом) вёл себя необычно. При разделении веществ вместо капель образовывались нити, из которых получались выпуклые диски или плоские капли.

Чтобы понять эту систему, учёные использовали микроскопы и наблюдали за движением жидких кристаллов в очень мелком масштабе — миллионные доли метра. Это сравнимо с шириной человеческого волоса.

Осуджи вспоминает:

Когда мы впервые увидели эти структуры, мы смотрели на них при слишком быстром охлаждении, из-за чего жидкие кристаллы слипались.

Только снизив скорость охлаждения и увеличив масштаб, исследователи поняли, что жидкие кристаллы спонтанно формируют структуры, похожие на биологические системы.

Браун считает, что это исследование объединяет две области: изучение активной материи и самосборки. В первой исследуют биологические системы, которые транспортируют материал и создают движение, во второй — материалы, самостоятельно создающие новые структуры и ведущие себя по-разному при смене фазы.

Это новый тип систем активной материи, — говорит Браун.

Осуджи и другие исследователи предполагают, что результаты работы можно использовать для имитации биологических систем или для лучшего понимания их работы. Также они могут быть полезны для производства материалов.

Осуджи объясняет, как это работает: молекулы впитываются в нити и переносятся в плоские капли. При этом никакой активности не заметно. Капли функционируют как маленькие реакторы, вырабатывая молекулы, которые нити переносят в другие капли для хранения или дальнейшей химической активности.

Браун отмечает, что иногда после прекращения фундаментальных исследований остаются нерешённые загадки. Это может дать новую жизнь изучению жидких кристаллов.

16.09.2024