科学家开发出能自主移动的“活性”液晶材料

据外媒报道，突破性发现可能为液晶的新应用铺平道路。能够执行复杂功能以响应环境变化的材料可以形成令人兴奋的新技术的基础。科学家和工程师们已经向这类自主材料迈出了第一步，他们开发了能自主移动的“活性”材料。现在，芝加哥大学的研究人员又迈出了下一步，他们证明了一种活性物质--液晶--其运动是可以被控制和引导的。

据悉，该概念验证研究已于2021年2月18日发表在《Nature Materials》上。这一研究则是分子工程教授Juan de Pablo、物理与分子工程教授Margaret Gardel、物理学教授Vincenzo Vitelli及化学教授Aaron Dinner协作三年的成果。

跟传统液体不同的是，液晶显示出统一的分子顺序和取向，这为自主材料的构建提供了潜力。晶体内部的缺陷本质则是微小的胶囊，它可以作为化学反应的场所或在类似电路的装置中作为货物的运输容器。

为了创造可用于技术领域的自主材料，科学家们需要找到一种方法让这些材料能在控制运动方向的同时自我推动自己的缺陷。

而为了制造“活性”液晶，研究人员使用了构成细胞骨架的肌动蛋白丝。另外他们还加入了运动蛋白，这是一种生物系统用来在肌动蛋白丝中发挥力量的蛋白质。这些蛋白质基本会沿着纤维“行走”从而让晶体发生移动。

在这种情况下，研究人员跟斯坦福大学Zev Bryant教授的团队合作开发了由光敏蛋白驱动的活性液晶，这种蛋白在光照下活性增强。

研究人员通过利用de Pablo和博士后研究员Rui Zhang和Ali Mozaffari开发的先进计算机模拟模型预测他们可以制造缺陷并通过在液晶中创造局部活动模式来操纵它们。

Gardel和博士后Steven Redford、Nitin Kumar领导的实验则证实了这些预测。具体来说，研究人员通过将激光照射到不同的区域进而使这些区域或多或少地活跃起来以此来控制缺陷的流动。

之后，他们展示了如何将其用于制造微流体设备，这是一种工程、化学和生物学领域的研究人员用来分析少量液体的工具。

通常情况下，这些装置包括微小的腔室、隧道和阀门，有了这样的材料，流体就可以在没有泵或压力的情况下自动传输进而为将复杂的行为编程到主动系统打开了大门。

这一研究的发现意义重大，因为截止到目前很多关于活性液晶的研究都集中在表征它们的行为上。

de Pablo说道：“在这项工作中，我们已经展示了如何控制这些材料，这将为应用铺平道路。我们现在有一个例子，即利用分子水平的推进来控制宏观尺度上的运动和运输。”

这一概念验证表明，液晶系统最终可以用作传感器或放大器从而对环境做出反应。接下来，研究人员希望演示如何构建必要元件使这个系统成为能像计算机那样执行逻辑操作的电路。

de Pablo称：“我们知道这些活性材料非常漂亮、非常有趣，但现在我们知道如何操纵它们并将它们用于有趣的应用。这是非常令人兴奋的。”

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