據(jù)外媒報(bào)道，突破性發(fā)現(xiàn)可能為液晶的新應(yīng)用鋪平道路。能夠執(zhí)行復(fù)雜功能以響應(yīng)環(huán)境變化的材料可以形成令人興奮的新技術(shù)的基礎(chǔ)。科學(xué)家和工程師們已經(jīng)向這類(lèi)自主材料邁出了第一步，他們開(kāi)發(fā)了能自主移動(dòng)的“活性”材料。現(xiàn)在，芝加哥大學(xué)的研究人員又邁出了下一步，他們證明了一種活性物質(zhì)--液晶--其運(yùn)動(dòng)是可以被控制和引導(dǎo)的。

據(jù)悉，該概念驗(yàn)證研究已于2021年2月18日發(fā)表在《Nature Materials》上。這一研究則是分子工程教授Juan de Pablo、物理與分子工程教授Margaret Gardel、物理學(xué)教授Vincenzo Vitelli及化學(xué)教授Aaron Dinner協(xié)作三年的成果。

跟傳統(tǒng)液體不同的是，液晶顯示出統(tǒng)一的分子順序和取向，這為自主材料的構(gòu)建提供了潛力。晶體內(nèi)部的缺陷本質(zhì)則是微小的膠囊，它可以作為化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所或在類(lèi)似電路的裝置中作為貨物的運(yùn)輸容器。

為了創(chuàng)造可用于技術(shù)領(lǐng)域的自主材料，科學(xué)家們需要找到一種方法讓這些材料能在控制運(yùn)動(dòng)方向的同時(shí)自我推動(dòng)自己的缺陷。

而為了制造“活性”液晶，研究人員使用了構(gòu)成細(xì)胞骨架的肌動(dòng)蛋白絲。另外他們還加入了運(yùn)動(dòng)蛋白，這是一種生物系統(tǒng)用來(lái)在肌動(dòng)蛋白絲中發(fā)揮力量的蛋白質(zhì)。這些蛋白質(zhì)基本會(huì)沿著纖維“行走”從而讓晶體發(fā)生移動(dòng)。

在這種情況下，研究人員跟斯坦福大學(xué)Zev Bryant教授的團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)了由光敏蛋白驅(qū)動(dòng)的活性液晶，這種蛋白在光照下活性增強(qiáng)。

研究人員通過(guò)利用de Pablo和博士后研究員Rui Zhang和Ali Mozaffari開(kāi)發(fā)的先進(jìn)計(jì)算機(jī)模擬模型預(yù)測(cè)他們可以制造缺陷并通過(guò)在液晶中創(chuàng)造局部活動(dòng)模式來(lái)操縱它們。

Gardel和博士后Steven Redford、Nitin Kumar領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)則證實(shí)了這些預(yù)測(cè)。具體來(lái)說(shuō)，研究人員通過(guò)將激光照射到不同的區(qū)域進(jìn)而使這些區(qū)域或多或少地活躍起來(lái)以此來(lái)控制缺陷的流動(dòng)。

之后，他們展示了如何將其用于制造微流體設(shè)備，這是一種工程、化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域的研究人員用來(lái)分析少量液體的工具。

通常情況下，這些裝置包括微小的腔室、隧道和閥門(mén)，有了這樣的材料，流體就可以在沒(méi)有泵或壓力的情況下自動(dòng)傳輸進(jìn)而為將復(fù)雜的行為編程到主動(dòng)系統(tǒng)打開(kāi)了大門(mén)。

這一研究的發(fā)現(xiàn)意義重大，因?yàn)榻刂沟侥壳昂芏嚓P(guān)于活性液晶的研究都集中在表征它們的行為上。

de Pablo說(shuō)道：“在這項(xiàng)工作中，我們已經(jīng)展示了如何控制這些材料，這將為應(yīng)用鋪平道路。我們現(xiàn)在有一個(gè)例子，即利用分子水平的推進(jìn)來(lái)控制宏觀尺度上的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)輸。”

這一概念驗(yàn)證表明，液晶系統(tǒng)最終可以用作傳感器或放大器從而對(duì)環(huán)境做出反應(yīng)。接下來(lái)，研究人員希望演示如何構(gòu)建必要元件使這個(gè)系統(tǒng)成為能像計(jì)算機(jī)那樣執(zhí)行邏輯操作的電路。

de Pablo稱(chēng)：“我們知道這些活性材料非常漂亮、非常有趣，但現(xiàn)在我們知道如何操縱它們并將它們用于有趣的應(yīng)用。這是非常令人興奮的。”

關(guān)鍵詞： 液晶材料