I cristalli liquidi "viventi" combinano le proprietà dei cristalli liquidi prodotti dall'uomo con le caratteristiche dei batteri che nuotano. Gli scienziati hanno costruito un modello accurato di come i cristalli controllano il movimento, trasporto e posizione dei batteri che nuotano. Il modello può anche simulare il comportamento di altre particelle nel cristallo vivente. Ora, gli scienziati possono combinare il modello con la sintesi su richiesta e la capacità di guidare i difetti che dirigono i batteri o le particelle. Il risultato? Questo lavoro potrebbe portare all'autoguarigione e ai materiali che cambiano forma. I materiali possono gestire processi complessi, come produrre energia.

Questa scoperta può portare alla progettazione e alla sintesi di nuovi materiali autoriparanti controllando i difetti nei cristalli viventi. Anche, questo lavoro estende gli strumenti necessari per, un giorno, creare "macchine" autoregolanti. Queste macchine possono adattare i componenti esistenti per scopi diversi secondo necessità o rispondere alle sollecitazioni senza fermarsi. Finalmente, questo lavoro aggiunge alla conoscenza degli scienziati dei sistemi fuori equilibrio, che sono coinvolti in tutto, dalla produzione di energia alla pulizia dei siti di scarto.

stormi di uccelli, banchi di pesci e miscele fluide automotrici che si organizzano in modo cooperativo e si muovono in risposta a segnali interni o esterni sono tutti considerati materia attiva. Una nuova classe di materia attiva, noti come cristalli liquidi "viventi", collegano le proprietà dei materiali inanimati e viventi combinando batteri nuotatori e cristalli liquidi non tossici. I difetti topologici in questi cristalli giocano un ruolo critico. I difetti dirigono come vengono assemblati i cristalli e come vengono trasportati i batteri. La gestione dell'aspetto e del posizionamento di questi difetti fornisce un'utile leva per manipolare componenti e proprietà.

Gli scienziati dell'Argonne National Laboratory hanno scoperto un nuovo concetto per trasportare e intrappolare batteri microscopici o nuotatori creati dall'uomo in un cristallo liquido. Hanno sviluppato un modello computazionale che riproduce accuratamente le osservazioni sperimentali della dinamica dei difetti topologici all'interno del cristallo liquido. Il modello prevede anche l'accumulo o l'espulsione di nuotatori dai nuclei di diversi difetti topologici. I batteri fluorescenti sono stati sospesi in un cristallo liquido a base d'acqua. Simile al traffico automobilistico sulle autostrade, i batteri nuotavano lungo determinate direzioni parallele all'orientamento delle molecole di cristalli liquidi. Difetti topologici nei cristalli liquidi servivano efficacemente come nodi stradali lungo queste autostrade che guidavano e concentravano o respingevano i nuotatori. Direttamente correlato alla topologia al centro del difetto, i batteri si sono accumulati vicino a difetti a forma di T dove convergono le linee di flusso orientate a cristalli liquidi (o "autostrade") e le traiettorie del nuotatore. Per i difetti a forma di Y, le linee di corrente sono organizzate in modo che i nuotatori si allontanino dal nucleo da soli o vengano deviati completamente dal nucleo. L'accumulo e l'esaurimento dei nuotatori nei nuclei modificano significativamente la dinamica dei difetti. È importante sottolineare che il modello correla accuratamente la riconfigurazione delle linee di flusso dei cristalli liquidi e gli orientamenti dei difetti topologici insieme ai cambiamenti nella popolazione dei difetti legati alla concentrazione dei nuotatori.