Vetro intelligente, le lenti di transizione e gli anelli dell'umore non sono le uniche cose fatte di cristalli liquidi; muco, li contengono anche la melma di lumaca e le membrane cellulari. Ora, un team di ricercatori sta cercando di capire meglio come i cristalli liquidi, combinato con batteri, formano i materiali viventi e come i due interagiscono per organizzarsi e muoversi.
"Una delle idee che abbiamo avuto sono stati i materiali che vivono, " disse Igor S. Aronson, titolare della Huck Chair e Professore di Ingegneria Biomedica, Chimica e Matematica. Materia vivente, la materia attiva può auto-guarirsi e cambiare forma e convertirà l'energia in movimento meccanico."
Il materiale vivente che Aronson sta esplorando utilizzando modelli ed esperimenti computazionali predittivi è composto da un batterio, Bacillus subtilis, che può muoversi rapidamente usando i suoi lunghi flagelli e un cristallo liquido nematico, il cromoglicato di disodio. I cristalli liquidi come materiali si trovano da qualche parte tra un liquido e un solido. In questo caso, le molecole del disodio cromoglicato si allineano in lunghe file parallele, ma non sono fissati in posizione. Capace di muoversi, rimangono orientati in una sola direzione a meno che non siano disturbati.
Secondo Aronson, questo tipo di cristalli liquidi assomiglia molto a un campo arato rettilineo con le creste le molecole e i solchi nelle aree intermedie.
In precedenza i ricercatori hanno scoperto che questi minuscoli batteri in un materiale a cristalli liquidi possono spingere carichi - minuscole particelle - attraverso i canali in un cristallo liquido e muoversi a quattro volte la loro lunghezza corporea quando in piccole concentrazioni, ma conservativamente, a 20 volte la loro lunghezza del corpo quando in gran numero.
"Una proprietà emergente della combinazione di un cristallo liquido e batteri è che a una concentrazione batterica di circa lo 0,1 percento in volume iniziamo a vedere una risposta collettiva da parte dei batteri, " disse Aronson.
Questo tipo di materiale vivente non è semplicemente una combinazione di due componenti, ma le due parti creano qualcosa con un'ottica insolita, proprietà fisiche o elettriche. Però, non esiste una connessione diretta tra i batteri e il liquido. I modelli al computer dei ricercatori hanno mostrato un comportamento collettivo nel loro sistema simile a quello visto nelle effettive combinazioni di cristalli liquidi/batteri.
I modelli computazionali predittivi per questo sistema di batteri a cristalli liquidi mostrano un cambiamento da canali paralleli dritti quando esiste solo una piccola popolazione di batteri, ad un più complesso, organizzato, configurazione attiva quando le popolazioni di batteri sono più alte. Mentre i modelli cambiano sempre, tendono a formare difetti del puntatore, a forma di freccia, che fungono da trappole e concentrano i batteri in un'area, e difetti triangolari che allontanano i batteri dall'area. L'aumento della concentrazione batterica aumenta la velocità dei batteri e le configurazioni nelle aree con una popolazione batterica più elevata cambiano più rapidamente rispetto alle aree con meno batteri. Aronson e il suo team hanno esaminato i materiali viventi reali a cristalli liquidi in un modo leggermente diverso rispetto al passato. Volevano che il film sottile di cristalli liquidi fosse indipendente, non toccare alcuna superficie, quindi hanno usato un dispositivo che ha creato il film, in un modo simile a quello usato per creare grandi bolle di sapone, e lo hanno sospeso lontano dal contatto con la superficie. Questo approccio ha mostrato modelli di difetti nella struttura del materiale.
Gli esperimenti con film sottili di cristalli liquidi e batteri hanno prodotto gli stessi risultati dei modelli computazionali, secondo i ricercatori.
Un altro effetto che i ricercatori hanno scoperto è che quando l'ossigeno è stato rimosso dal sistema, l'azione della materia vivente si fermò. Bacillus subtilis si trova solitamente in luoghi con ossigeno, ma può sopravvivere in ambienti privi di ossigeno. I batteri nel materiale vivente non sono morti, hanno semplicemente smesso di muoversi finché l'ossigeno non è stato nuovamente presente.
I ricercatori hanno riferito in Revisione fisica X che i loro "risultati suggeriscono nuovi approcci per l'intrappolamento e il trasporto di batteri e nuotatori sintetici in liquidi anisotropi ed estendono una gamma di strumenti per controllare e manipolare oggetti microscopici nella materia attiva". Poiché alcune sostanze biologiche come il muco e le membrane cellulari sono talvolta cristalli liquidi, questa ricerca può produrre la conoscenza di come queste sostanze biologiche interagiscono con i batteri e potrebbe fornire informazioni sulle malattie dovute alla penetrazione batterica nel muco.
