在适当的条件下，液晶会形成令人惊奇的结构，让人联想到生物系统，这里显示的是真实颜色（左）和假色（右），其中细丝为浅蓝色，扁平圆盘为黄色。图源：Christopher Browne
新研究表明，液晶可以形成模拟生物运输系统的动态结构，这表明其在创建自组装材料和建模生物系统方面具有潜在的应用。
液晶无处不在。它们用于许多应用，例如手机屏幕、视频游戏机、汽车仪表盘和医疗设备。由于这些液体的独特性质，如果电流通过液晶显示器 (LCD)，它们就会产生颜色：重新排列它们的形状，它们会反射不同波长的光。
液晶结构的新发现现在，Chinedum Osuji 实验室的研究人员发现，这些非凡的晶体可能能够发挥更大的作用。在适当的条件下，液晶会凝结成令人惊叹的结构，自发产生细丝和扁平圆盘，可以将物质从一个地方运输到另一个地方，就像复杂的生物系统一样。这一发现可能导致自组装材料、模拟细胞活动的新方法等。
“它就像一个传送带网络，”Osuji 实验室的博士后研究员 Christopher Browne 说道，他也是最近在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表的一篇描述这一发现的论文的共同第一作者。“正是这种对表面上看起来非常逼真的东西的偶然观察——这最初暗示了这可能是更普遍、更有趣的东西。”
凝析油形成合作研究Browne 和 Osuji 现在是物质结构研究实验室( LRSM) 的一个由美国国家科学基金会支持的跨学科小组的成员，该小组由佩雷尔曼医学院细胞与发育生物学副教授 Matthew Good 和艺术与科学学院化学教授 Elizabeth Rhoades 领导，正在研究生物和非生物系统中的凝聚物的形成。
新型液晶凝聚体产生的细丝和扁平圆盘的特写图。图源：Christopher Browne、Chinedum Osuji
液晶相分离中的异常行为最初，Osuji 的实验室与埃克森美孚合作研究中间相沥青，这是一种用于开发高强度碳纤维的物质，例如一级方程式赛车和高端网球拍中使用的碳纤维。“这些材料是液晶，”Osuji 谈到碳纤维本身的化学前体时说道：“或者更确切地说，它们在加工过程中的某个时期是液晶态的。”在不同温度下对冷凝物进行实验时，Osuji 实验室的另一位博士后研究员、该论文的另一位共同第一作者 Yuma Morimitsu 注意到材料中存在异常行为。
通常情况下，如果你将两种不相溶（即不可混合）的流体混合在一起，然后将它们加热到足够高的温度以迫使它们混合，如果你随后冷却混合物，在某个时候，它们会分离或“分离”。通常，这种情况是通过液滴的形成而发生的，这些液滴会聚结形成一个单独的层，就像如果你将油和水混合在一起，最终会在水面上形成一层油一样。
独特的相分离和结构形成在这种情况下，液晶 4'-氰基 4-十二烷氧基联苯（也称为 12OCB）在从角鲨烷（一种无色油）分离时自发形成高度不规则的结构。Osuji 说：“当液晶与系统的其他成分之间发生相分离时，不会形成液滴，而是形成级联结构，其中第一个是这些细丝，它们快速生长，然后形成另一组结构——我们称之为凸起的圆盘或扁平液滴。”
液晶行为的观察和含义为了了解该系统，研究人员使用强大的显微镜观察液晶在微米级（即百万分之一米，相当于人类头发的宽度）上的运动。Osuji 回忆说：“我们第一次看到这些结构时，冷却速度非常快，导致液晶聚集在一起。”只有通过降低冷却速度并进一步放大，研究人员才意识到液晶正在自发形成类似于生物系统的结构。
有趣的是，布朗发现，几十年前就有几位研究人员几乎观察到了类似的行为，但他们研究的系统要么行为不是特别明显，要么缺乏足够强大的显微镜来观察正在发生的事情。
潜在应用和未来研究对于Browne 来说，这一结果最令人兴奋的意义在于，它整合了几个传统上分散的领域：活性物质研究领域，专注于运输物质和产生运动的生物系统；自组装和相行为领域，研究自行创建新结构并在相变时表现不同的材料。“这是一种新型的活性物质系统。”Browne 说。
他和 Osuji 还指出，可以利用这些发现来模拟生物系统，以便更好地了解它们的工作原理或制造材料。“分子被吸收到细丝中，然后不断地穿梭到这些扁平液滴中，”Osuji 说，“即使仅通过观察系统，你也无法辨别出任何明显的活动。”实际上，扁平液滴可以像小型反应器一样发挥作用，大量产生分子，细丝将这些分子运送到其他液滴进行储存或进一步进行化学活动。
研究人员还表示，他们的发现可能会重振液晶研究本身。“当一个领域实现工业化时，”Browne 说：“基础研究通常会逐渐减少。但有时会有一些挥之不去的谜题，没有人能完全解决。”
参考文献：Yuma Morimitsu、Christopher A. Browne、Zhe Liu、Paul G. Severino、Manesh Gopinadhan、Eric B. Sirota、Ozcan Altintas、Kazem V. Edmond 和 Chinedum O. Osuji 撰写的“结构化流体分层过程中凝聚态网络的自发组装”，2024 年 9 月 13 日，《美国国家科学院院刊》。DOI：10.1073/pnas.2407914121
这项研究由宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院化学与生物分子工程系、艺术与科学学院物理与天文系和埃克森美孚研究部共同开展。这项研究得到了埃克森美孚和美国国家科学基金会 (DMR-2309043) 的资助。
作者：伊恩·舍弗勒（Ian Scheffler）
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