I cristalli liquidi sono ampiamente utilizzati in tecnologie come display, che manipolano il loro orientamento per visualizzare i colori in tutto lo spettro.

Nelle manifestazioni tradizionali, i cristalli liquidi sono stazionari e uniformi, privo di difetti. Ma quella quiete può essere alterata aggiungendo batteri ai cristalli, creando ciò che scienziati e ingegneri chiamano "cristalli liquidi viventi":materiali che possono agire autonomamente. Mentre i batteri nuotano intorno al cristallo liquido, generano "difetti" che possono essere utilizzati per scopi ingegneristici.

Ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering dell'Università di Chicago, insieme ai colleghi dell'Argonne National Laboratory affiliato a Chicago, hanno mostrato come questo materiale diventi attivo e disordinato attraverso questo processo, creare motivi floreali dalle instabilità di piegatura che alla fine portano alla creazione di difetti. Ma i risultati non sono solo estetici:sono un passo importante verso la comprensione di come controllare in definitiva questo materiale per le tecnologie emergenti che si basano sulla formazione di difetti.

"La genesi di queste instabilità è stata oggetto di notevole dibattito, e ora abbiamo veramente capito come funziona questo processo, che alla fine porterà a controllare come si comporta questo materiale, " disse Juan de Pablo, il Liew Family Professor in Molecular Engineering e coautore della ricerca, recentemente pubblicato sulla rivista Revisione fisica X .

Comprendere la formazione del modello

I cristalli liquidi viventi sono un esempio di materiali che possono agire da soli. In natura, questi materiali sono responsabili della motilità delle cellule. Le proteine ​​all'interno delle cellule "camminano" lungo la superficie delle molecole polimeriche ed esercitano una forza che provoca spostamento e movimento.

"C'è molto interesse per questi materiali perché sono complessi, bella e pertinente, " disse de Pablo, vicepresidente per i laboratori nazionali. "Ma vogliamo capire come si generano il movimento e il trasporto al loro interno".

Nel laboratorio, un modo per creare un materiale autonomo come questo è combinare un cristallo liquido con batteri, che poi causano disordine tra i cristalli liquidi quando si muovono.

Per studiare come il materiale diventa attivo, i ricercatori hanno combinato i batteri del nuoto con un cristallo liquido in due formati:vicino alla superficie inferiore di una goccia sospesa da un ago attaccato a un vetrino, e in un sottile, pellicola autoportante.

Sebbene i batteri e i cristalli liquidi fossero inizialmente allineati attraverso un campo magnetico, quando il campo è stato spento, i batteri hanno iniziato a muoversi da soli, con conseguente "instabilità di piegatura". Queste instabilità sembravano petali su un fiore o rami che si irradiavano da un albero. Il numero di rami è stato controllato dall'attività dei batteri.

"Le instabilità sono diventate sempre più evidenti con il passare del tempo, fino a quando il sistema alla fine diventa completamente disordinato, " ha detto de Pablo.

Attraverso questi esperimenti e simulazioni computazionali, i ricercatori hanno scoperto come queste instabilità si formano attraverso la deformazione e la geometria, e quindi ha sviluppato un metodo per creare e posizionare le instabilità di piegatura.

Controllo dei cristalli per le tecnologie future

I ricercatori sperano di utilizzare queste informazioni per poter controllare completamente questi cristalli liquidi viventi. Ciò consentirebbe loro di creare alla fine un nuovo tipo di dispositivo microfluidico che trasporta i fluidi autonomamente senza pompe o pressione, o per creare sistemi sintetici che assomiglino a cellule e che possano spostarsi autonomamente da un luogo all'altro.

"Abbiamo una reale possibilità di controllare questi materiali e usarli per interessanti nuove tecnologie, " ha detto de Pablo.