研究发现液晶可以形成模仿生物系统的动态结构

在适当的条件下，液晶会形成令人惊叹的结构，让人联想到生物系统，如图所示，液晶为真色（左）和假色（右），丝状结构为浅蓝色，扁平圆盘为黄色。 图片来源：Christopher Browne

现在，爱德华多-格兰特（Eduardo D. Glandt）总统讲座教授兼化学与生物分子工程系主任奇内杜姆-奥苏吉（Chinedum Osuji）实验室的研究人员发现，这些非凡的晶体可能能做更多的事情。 在适当的条件下，液晶会凝结成惊人的结构，自发生成丝状和扁平的圆盘，可以把材料从一个地方传送到另一个地方，就像复杂的生物系统一样。 这种洞察力可能会带来自组装材料、细胞活动建模的新方法等。

克里斯托弗-布朗（Christopher Browne）说："这就像一个传送带网络，正是这种偶然观察到的表面上看起来非常逼真的东西--这是最初的线索，它可能是更普遍、更有趣的东西。"他是奥苏吉实验室的博士后研究员，也是最近发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上描述这一发现的论文的共同第一作者。

Browne和Osuji现在是NSF支持的跨学科小组的成员，该小组位于物质结构研究实验室（LRSM），由佩雷尔曼医学院细胞与发育生物学副教授Matthew Good和艺术与科学学院化学教授Elizabeth Rhoades领导，研究生物和非生物系统中的凝结物形成。

新型液晶凝聚体产生的细丝和扁平圆盘特写。 资料来源：克里斯托弗-布朗、奇内杜姆-奥苏吉

最初，Osuji 的实验室与埃克森美孚公司合作研究介相沥青，这是一种用于开发高强度碳纤维的物质，如一级方程式赛车和高端网球拍中的碳纤维。"这些材料是液晶，"Osuji 谈到碳纤维本身的化学前体时说。"或者更确切地说，在加工过程中，它们在存在的一段时间内都是液晶"。 在对不同温度下的凝结物进行实验时，大须寺实验室的另一位博士后、论文的另一位共同第一作者森光尤马（Yuma Morimitsu）注意到了这种材料的不寻常行为。

通常情况下，如果将两种不相溶（即不可混合）的流体结合在一起，然后加热到足够高的温度迫使它们混合，如果然后冷却混合物，在某个时刻，混合物就会分离或"去混合"。 通常情况下，这种情况会通过液滴的形成而发生，这些液滴会凝聚成一个独立的层，这就像如果把油和水混合在一起，最终会在水上面形成一层油一样。

显示液晶凝结物形成的视频--右侧使用假色来区分细丝（浅蓝色）和扁平圆盘（黄色）。 视频为 60 倍实时放大和 5 倍放大。 资料来源：Christopher Browne， Chinedum Osuji独特的相分离和结构形成

在这种情况下，液晶--4'-氰基 4-十二烷氧基联苯（又称 12OCB）--在与角鲨烷（一种无色油）分离时自发形成了高度不规则的结构。Osuji 说："液晶与系统中的其他成分发生相分离时，不会形成液滴，而是会形成级联结构，首先是这些细丝，它们迅速生长，随后形成另一组结构--我们称之为凸起的圆盘或扁平液滴。"

为了了解这个系统，研究人员使用了功能强大的显微镜来观察液晶在微米尺度上的运动，也就是百万分之一米，相当于人类头发的宽度。Osuji 回忆说："我们第一次看到这些结构时，冷却速度过高，导致液晶凝结在一起。 只有通过降低冷却速度并进一步放大，研究人员才意识到液晶正在自发形成让人联想到生物系统的结构。"

有趣的是，布朗发现，几十年前就有几位研究人员接近观察到类似的行为，但他们所研究的系统要么没有特别明显的行为，要么缺乏足够强大的显微镜来观察发生了什么。

对布朗来说，这项成果最令人兴奋的意义在于它将几个传统上互不相关的领域结合在了一起：活性物质研究领域（该领域主要研究传输材料和产生运动的生物系统）和自组装与相行为领域（该领域研究能够自行产生新结构以及在改变相位时具有不同行为的材料）。这是一种新型的活性物质系统。

他和 Osuji 还指出，可以利用这些发现来模拟生物系统，以便更好地了解它们的工作原理或制造材料。"分子被吸收到丝状物中，然后不断地穿梭到这些扁平液滴中，"Osuji 说，"尽管仅仅观察这个系统并不能发现任何明显的活动。 实际上，扁平液滴可以像小型反应器一样发挥作用，产生分子，然后由细丝输送到其他液滴进行储存或进一步的化学反应。"

研究人员还表示，他们的发现可能会重振液晶本身的研究。当一个领域实现工业化后，基础研究往往会逐渐减少。 但有时会有一些悬而未决的难题，没有人能够解决。

编译自/ScitechDaily