研究人員設計出能自我推進的“活性”液晶材料 或為液晶新應用鋪平道路

據外媒報道，突破性發現可能為液晶的新應用鋪平道路。能夠執行復雜功能以響應環境變化的材料可以形成令人興奮的新技術的基礎。科學家和工程師們已經向這類自主材料邁出了第一步，他們開發了能自主移動的“活性”材料。現在，芝加哥大學的研究人員又邁出了下一步，他們證明了一種活性物質--液晶--其運動是可以被控制和引導的。

據悉，該概念驗證研究已于2021年2月18日發表在《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、物理學教授Vincenzo Vitelli及化學教授Aaron Dinner協作三年的成果。

跟傳統液體不同的是，液晶顯示出統一的分子順序和取向，這為自主材料的構建提供了潛力。晶體內部的缺陷本質則是微小的膠囊，它可以作為化學反應的場所或在類似電路的裝置中作為貨物的運輸容器。

為了創造可用于技術領域的自主材料，科學家們需要找到一種方法讓這些材料能在控制運動方向的同時自我推動自己的缺陷。

而為了制造“活性”液晶，研究人員使用了構成細胞骨架的肌動蛋白絲。另外他們還加入了運動蛋白，這是一種生物系統用來在肌動蛋白絲中發揮力量的蛋白質。這些蛋白質基本會沿著纖維“行走”從而讓晶體發生移動。

在這種情況下，研究人員跟斯坦福大學Zev Bryant教授的團隊合作開發了由光敏蛋白驅動的活性液晶，這種蛋白在光照下活性增強。

研究人員通過利用de Pablo和博士后研究員Rui Zhang和Ali Mozaffari開發的先進計算機模擬模型預測他們可以制造缺陷并通過在液晶中創造局部活動模式來操縱它們。

Gardel和博士后Steven Redford、Nitin Kumar領導的實驗則證實了這些預測。具體來說，研究人員通過將激光照射到不同的區域進而使這些區域或多或少地活躍起來以此來控制缺陷的流動。

之后，他們展示了如何將其用于制造微流體設備，這是一種工程、化學和生物學領域的研究人員用來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，有了這樣的材料，流體就可以在沒有泵或壓力的情況下自動傳輸進而為將復雜的行為編程到主動系統打開了大門。

這一研究的發現意義重大，因為截止到目前很多關于活性液晶的研究都集中在表征它們的行為上。

de Pablo說道：“在這項工作中，我們已經展示了如何控制這些材料，這將為應用鋪平道路。我們現在有一個例子，即利用分子水平的推進來控制宏觀尺度上的運動和運輸。”

這一概念驗證表明，液晶系統最終可以用作傳感器或放大器從而對環境做出反應。接下來，研究人員希望演示如何構建必要元件使這個系統成為能像計算機那樣執行邏輯操作的電路。

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