ateriali in grado di svolgere funzioni complesse in risposta ai cambiamenti dell'ambiente potrebbero costituire la base per nuove entusiasmanti tecnologie. Pensa a una capsula impiantata nel tuo corpo che rilascia automaticamente anticorpi in risposta a un virus, una superficie che rilascia un agente antibatterico quando esposta a batteri pericolosi, un materiale che si adatta alla sua forma quando deve sostenere un peso particolare, o indumenti che rilevano e catturano contaminanti tossici dall'aria.

Scienziati e ingegneri hanno già fatto il primo passo verso questi tipi di materiali autonomi sviluppando materiali "attivi" che hanno la capacità di muoversi da soli. Ora, i ricercatori dell'Università di Chicago hanno compiuto il passo successivo dimostrando che il movimento in uno di questi materiali attivi, i cristalli liquidi, può essere imbrigliato e diretto.

Questa ricerca proof-of-concept, pubblicato il 18 febbraio sulla rivista Materiali della natura , è il risultato di tre anni di lavoro collaborativo dei gruppi dei Proff. Juan de Pablo e Margaret Gardel della Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago, insieme a Vincenzo Vitelli, professore di fisica, e Aaron Cena, professore di chimica.

Sfruttare le proprietà dei cristalli liquidi

A differenza dei liquidi tradizionali, i cristalli liquidi mostrano un ordine molecolare e un orientamento uniformi che offrono potenziale come elementi costitutivi per materiali autonomi. I difetti all'interno dei cristalli sono essenzialmente minuscole capsule che potrebbero fungere da siti per reazioni chimiche o come navi da trasporto per il carico in un dispositivo simile a un circuito.

Per creare materiali autonomi che possono essere utilizzati nelle tecnologie, gli scienziati avevano bisogno di trovare un modo per far sì che questi materiali autoalimentassero i loro difetti controllando la direzione del movimento.

Per rendere i cristalli liquidi "attivi", i ricercatori hanno utilizzato filamenti di actina, gli stessi filamenti che costituiscono il citoscheletro di una cellula. Hanno anche aggiunto nelle proteine ​​​​motorie, quali sono le proteine ​​che i sistemi biologici utilizzano per esercitare forza nei filamenti di actina. Queste proteine ​​essenzialmente "camminano" lungo i filamenti, facendo muovere i cristalli.

In questo caso, in collaborazione con il gruppo del Prof. Zev Bryant della Stanford University, i ricercatori hanno sviluppato cristalli liquidi attivi alimentati da proteine ​​sensibili alla luce, la cui attività aumenta se esposto alla luce.

Utilizzando simulazioni al computer avanzate di modelli sviluppati da de Pablo con i borsisti post-dottorato Rui Zhang e Ali Mozaffari, i ricercatori hanno predetto che potrebbero creare difetti e manipolarli creando modelli locali di attività in un cristallo liquido.

Gli esperimenti condotti da Gardel e dai borsisti post-dottorato Steven Redford e Nitin Kumar hanno confermato queste previsioni. Nello specifico, puntando un laser su diverse regioni, i ricercatori hanno reso quelle regioni più o meno attive, controllando così il flusso del difetto.

Hanno poi mostrato come questo potrebbe essere usato per creare un dispositivo microfluidico, uno strumento che i ricercatori in ingegneria, chimica, e la biologia usano per analizzare piccole quantità di liquidi.

Di solito tali dispositivi includono minuscole camere, tunnel e valvole; con un materiale come questo, i fluidi possono essere trasportati autonomamente senza pompe o pressione, aprendo la porta alla programmazione di comportamenti complessi in sistemi attivi.

Le scoperte presentate nel manoscritto sono significative perché, fino ad ora, gran parte della ricerca sui cristalli liquidi attivi si è concentrata sulla caratterizzazione del loro comportamento.

"In questo lavoro abbiamo mostrato come controllare questi materiali, che potrebbe aprire la strada ad applicazioni, " ha detto de Pablo. "Ora abbiamo un esempio in cui la propulsione a livello molecolare è stata imbrigliata per controllare il movimento e il trasporto su scale macroscopiche".

Creare nuovi dispositivi dal materiale

Questa prova dimostra che un sistema di cristalli liquidi potrebbe essere utilizzato come sensore o amplificatore che reagisce all'ambiente. Prossimo, i ricercatori sperano di dimostrare come costruire gli elementi necessari per trasformare questo sistema in un circuito in grado di eseguire operazioni logiche allo stesso modo dei computer.

"Sapevamo che questi materiali attivi erano belli e interessanti, ma ora sappiamo come manipolarli e usarli per applicazioni interessanti, " ha detto de Pablo. "Questo è molto eccitante."