I cristalli liquidi (LC) sono ampiamente utilizzati nella tecnologia dei display e nelle fibre ottiche. Dagli smartphone in tasca ai televisori a grande schermo, I LC sono ovunque, poiché questo stato speciale della materia è stato trovato nelle bolle di sapone colorate e in alcuni tessuti viventi.

Ma i LC non sono affatto limitati all'uso in gadget o dispositivi elettronici. Per un pò di tempo, scienziati hanno studiato la possibilità di creare "nematici attivi, "una particolare classe di LC attivi, che consistono in unità autoalimentate in grado di convertire in movimento l'energia chimica o di altro tipo. Quando vengono somministrati gli stimoli appropriati, gli scienziati hanno scoperto che possono generare una risposta prevedibile da diversi LC, che consente la progettazione di smart, sistemi di materiali multifunzionali, come un sistema multifase battericida in grado di autoregolarsi e segnalare la presenza e l'eliminazione di agenti patogeni. Precedenti studi hanno dimostrato che i modelli di luce possono essere sfruttati per dirigere la creazione e il movimento di difetti topologici nei LC, che potrebbero servire come vettori di carico o trasmettitori di segnale che migliorano ulteriormente la risposta del materiale.

I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Materiali della natura il 18 febbraio, 2021. Il lavoro è stato una collaborazione di successo tra diversi gruppi di ricerca, compresi i professori Juan de Pablo, Margherita Gardel, Vincenzo Vitelli e Aaron Dinner dell'Università di Chicago e il professor Zev Bryant della Stanford University.

Scolpire strutture ben definite nei liquidi potrebbe in linea di principio consentire l'ingegnerizzazione di funzionalità altrimenti possibili solo nei materiali solidi. Gli sforzi esistenti verso questo obiettivo spesso si basano su più componenti o fasi che sono lontane dall'equilibrio e difficili da controllare, limitando così la loro applicazione.

L'introduzione di attività locali in tali strutture liquide potrebbe quindi aprire opportunità per un'ampia gamma di applicazioni, Per esempio, imitando il comportamento delle cellule. Però, la manipolazione di queste strutture incorporate o scolpite rimane difficile. Grazie al sottostante campo di orientamento molecolare locale, i difetti topologici nelle LC rappresentano strutture disomogenee stabili, che può consentire l'incorporamento di strutture flessibili in un mezzo liquido.

"Le LC attive sono un campo nascente, e molti fenomeni restano da chiarire e applicare, " ha detto il prof. Zhang Rui, Professore Associato presso il Dipartimento di Fisica, HKUST, che è uno dei coautori della ricerca. "Il nostro studio ha studiato diversi sistemi LC attivi, compresi i sistemi naturali, come colonie cellulari, biopolimeri e batteri, così come i sistemi sintetici, che imitano i comportamenti adattivi e autonomi che si trovano nella materia vivente".

Lo studio, che è stato recentemente pubblicato in Materiali per recensioni sulla natura , rivela che diversi tipi di sistemi LC attivi mostrano tutti sorprendenti somiglianze tra loro ma, ma ancora più importante, questi sistemi mostrano un'elevata sensibilità all'ambiente, come eventi interfacciali, che li rende potenzialmente programmabili e autonomi per un'ampia gamma di applicazioni.

"La sensibilità agli eventi interfacciali, come gradienti di temperatura e flussi idrodinamici, può essere sfruttato per il rilevamento di specie ioniche, gas, tossine, e batteri, " ha osservato Zhang. "Progettando le interfacce corrispondenti, possiamo impartire un'attività transitoria a questi sistemi LC, il che renderebbe questi LC semoventi un potenziale candidato per applicazioni come la progettazione di microreattori e la somministrazione mirata di farmaci".

"Sapevamo che questi materiali attivi erano belli e interessanti, ma ora sappiamo come manipolarli e usarli per applicazioni interessanti, "dice il professor Juan de Pablo, il vicepresidente e professore di ingegneria molecolare dell'Università di Chicago, un corrispondente autore dello studio ha detto. "Questo è molto promettente."

"I materiali attivi sono promettenti nel senso che non necessitano di comunicazioni in tempo reale, intervento umano, e alimentazione esterna, " dice Zhang. In futuro, Il gruppo Zhang continuerà a collaborare con il gruppo di Chicago per esplorare la possibilità di operazioni logiche attraverso questi cristalli liquidi attivi, che potrebbe portare a un materiale autonomo applicabile in grado di calcolare e intraprendere le azioni necessarie in base ai loro calcoli. "Con la realizzazione di materiali così intelligenti, non dobbiamo leggere il manuale di un medicinale, e la capsula decide la quantità di dose da rilasciare all'interno del tuo corpo; oppure la tua finestra può decidere il suo colore e se aprirsi anche in caso di evento catastrofico compreso un blackout elettrico, "dice Zhang.