Tieni le mani davanti a te e, non importa come le ruoti, è impossibile sovrapporle l'una sull'altra. Le nostre mani sono un perfetto esempio di chiralità, una configurazione geometrica per cui un oggetto non può essere sovrapposto alla sua immagine speculare.
La chiralità è ovunque in natura, dalle nostre mani alla disposizione dei nostri organi interni fino alla struttura a spirale del DNA. Le molecole e i materiali chirali sono stati la chiave per molte terapie farmacologiche, dispositivi ottici e metamateriali funzionali. Finora gli scienziati hanno ipotizzato che la chiralità generi chiralità, ovvero che le strutture chirali emergano da forze e elementi costitutivi chirali. Ma questo presupposto potrebbe richiedere qualche rielaborazione.
Gli ingegneri del MIT hanno recentemente scoperto che la chiralità può emergere anche in un materiale interamente non chirale e attraverso mezzi non chirali. In uno studio pubblicato l'8 gennaio 2024 su Nature Communications , il team riferisce di aver osservato la chiralità in un cristallo liquido, un materiale che scorre come un liquido e ha una microstruttura non ordinata, simile a quella cristallina, come un solido.
Hanno scoperto che quando il fluido scorre lentamente, le sue microstrutture normalmente non chirali si assemblano spontaneamente in strutture chirali grandi e contorte. L'effetto è come se un nastro trasportatore di pastelli, tutti allineati simmetricamente, si riorganizzasse improvvisamente in grandi motivi a spirale una volta che il nastro raggiunge una certa velocità.
La trasformazione geometrica è inaspettata, dato che il cristallo liquido è naturalmente non chirale, o "achirale". Lo studio del team apre quindi una nuova strada alla generazione di strutture chirali. I ricercatori immaginano che le strutture, una volta formate, potrebbero fungere da impalcature a spirale in cui assemblare complesse strutture molecolari. I cristalli liquidi chirali potrebbero essere utilizzati anche come sensori ottici, poiché la loro trasformazione strutturale cambierebbe il modo in cui interagiscono con la luce.
"Questo è entusiasmante perché ci fornisce un modo semplice per strutturare questo tipo di fluidi", afferma il coautore dello studio Irmgard Bischofberger, professore associato di ingegneria meccanica al MIT. "E da un livello fondamentale, questo è un nuovo modo in cui la chiralità può emergere."
I coautori dello studio includono l'autore principale Qing Zhang Ph.D. '22, Weiqiang Wang e Rui Zhang dell'Università della Scienza e della Tecnologia di Hong Kong e Shuang Zhou dell'Università del Massachusetts ad Amherst.
Un cristallo liquido è una fase della materia che incorpora le proprietà sia di un liquido che di un solido. Tali materiali intermedi scorrono come liquidi e sono strutturati molecolarmente come solidi. I cristalli liquidi vengono utilizzati come elemento principale nei pixel che compongono i display LCD, poiché l'allineamento simmetrico delle loro molecole può essere commutato uniformemente con la tensione per creare collettivamente immagini ad alta risoluzione.
Il gruppo di Bischofberger al MIT studia come fluidi e materiali morbidi formino spontaneamente modelli in natura e in laboratorio. Il team cerca di comprendere i meccanismi alla base delle trasformazioni dei fluidi, che potrebbero essere utilizzati per creare materiali nuovi e riconfigurabili.
Nel loro nuovo studio, i ricercatori si sono concentrati su un tipo speciale di cristalli liquidi nematici, un fluido a base di acqua che contiene strutture molecolari microscopiche a forma di bastoncino. Le aste normalmente si allineano nella stessa direzione in tutto il fluido. Inizialmente Zhang era curioso di sapere come si sarebbe comportato il fluido in varie condizioni di flusso.
"Ho provato questo esperimento per la prima volta a casa, nel 2020", ricorda Zhang. "Avevo dei campioni del fluido e un piccolo microscopio e un giorno ho impostato il flusso su un flusso basso. Quando sono tornato, ho visto questo schema davvero sorprendente."
Lei e i suoi colleghi hanno ripetuto i suoi esperimenti iniziali in laboratorio. Hanno fabbricato un canale microfluidico utilizzando due vetrini, separati da uno spazio molto sottile e collegati a un serbatoio principale. Il team ha pompato lentamente campioni di cristalli liquidi attraverso il serbatoio e nello spazio tra le piastre, quindi ha acquisito immagini al microscopio del fluido mentre scorreva.
Come negli esperimenti iniziali di Zhang, il team ha osservato una trasformazione inaspettata:il fluido normalmente uniforme ha iniziato a formare strisce simili a tigri mentre si muoveva lentamente attraverso il canale.
"È stato sorprendente che formasse una struttura, ma ancora più sorprendente una volta che abbiamo saputo effettivamente che tipo di struttura formava", afferma Bischofberger. "È qui che entra in gioco la chiralità."
Il team ha scoperto che le strisce del fluido erano inaspettatamente chirali, utilizzando varie tecniche ottiche e di modellazione per ripercorrere in modo efficace il flusso del fluido. Hanno osservato che, quando sono immobili, i bastoncini microscopici del fluido sono normalmente allineati in una formazione quasi perfetta. Quando il fluido viene pompato rapidamente attraverso il canale, le aste sono in completo disordine. Ma con un flusso intermedio più lento, le strutture iniziano a oscillare, quindi ruotano progressivamente come piccole eliche, ognuna girando leggermente più della successiva.
Se il fluido continua il suo lento flusso, i cristalli contorti si assemblano in grandi strutture a spirale che appaiono come strisce al microscopio.
"C'è questa regione magica, dove se li fai semplicemente scorrere delicatamente, formano queste grandi strutture a spirale", dice Zhang.
I ricercatori hanno modellato la dinamica del fluido e hanno scoperto che i grandi schemi a spirale emergevano quando il fluido raggiungeva un equilibrio tra due forze:viscosità ed elasticità. La viscosità descrive la facilità con cui un materiale scorre, mentre l'elasticità è essenzialmente la probabilità che un materiale si deformi (ad esempio, la facilità con cui le aste del fluido si muovono e si torcono).
"Quando queste due forze sono più o meno le stesse, è allora che vediamo queste strutture a spirale", spiega Bischofberger. "È sorprendente che singole strutture, dell'ordine dei nanometri, possano assemblarsi in strutture molto più grandi, su scala millimetrica e molto ordinate, semplicemente spingendole un po' fuori dall'equilibrio."
Il team si è reso conto che gli assemblaggi contorti hanno una geometria chirale:se un'immagine speculare fosse composta da una spirale, non sarebbe possibile sovrapporrla all'originale, indipendentemente da come le spirali fossero riorganizzate. Il fatto che le spirali chirali siano emerse da un materiale non chirale e attraverso mezzi non chirali è la prima volta e indica un modo relativamente semplice per progettare fluidi strutturati.
"I risultati sono davvero sorprendenti e intriganti", afferma Giuliano Zanchetta, professore associato presso l'Università di Milano, che non è stato coinvolto nello studio. "Sarebbe interessante esplorare i confini di questo fenomeno. Considererei i modelli chirali riportati come un modo promettente per modulare periodicamente le proprietà ottiche su microscala."
"Ora abbiamo alcune manopole per mettere a punto questa struttura", afferma Bischofberger. "Questo potrebbe fornirci un nuovo sensore ottico che interagisce con la luce in determinati modi. Potrebbe anche essere utilizzato come impalcatura per far crescere e trasportare molecole per la somministrazione di farmaci. Siamo entusiasti di esplorare questo spazio delle fasi completamente nuovo."
Ulteriori informazioni: Qing Zhang et al, Strutture chirali periodiche indotte dal flusso in un cristallo liquido nematico achirale, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-43978-6
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dal Massachusetts Institute of Technology
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.
