رگه ها در یک کریستال مایع روان مسیری را به مایعات “کایرال” نشان می دهد

بازوهای خود را در مقابل خود دراز کنید و مهم نیست که چگونه آنها را بچرخانید، غیرممکن است که روی هم قرار بگیرند. دست‌های ما نمونه‌ای کامل از کایرالیته هستند – یک پیکربندی هندسی که به موجب آن یک جسم نمی‌تواند روی تصویر آینه‌ای آن قرار گیرد.

کایرالیته در همه جای طبیعت وجود دارد، از دستان ما گرفته تا آرایش اندام های داخلی ما تا ساختار مارپیچ DNA. مولکول ها و مواد کایرال کلید بسیاری از درمان های دارویی، دستگاه های نوری و فرامواد کاربردی بوده اند. تا به حال، دانشمندان فرض می‌کردند که کایرالیته، کایرالیته را به وجود می‌آورد – یعنی ساختارهای کایرال از نیروهای کایرال و بلوک‌های سازنده به وجود می‌آیند. اما این فرض ممکن است نیاز به تعدیل مجدد داشته باشد.

مهندسان مؤسسه فناوری ماساچوست اخیراً کشف کرده‌اند که کایرالیته می‌تواند در یک ماده کاملاً غیر کایرال و به روش‌های غیر کایرال نیز ظاهر شود. در مطالعه ای که امروز در ارتباطات طبیعتاین تیم گزارش می دهد که کایرالیته را در یک کریستال مایع مشاهده می کنند – ماده ای که مانند مایع جریان دارد و ساختاری بی نظم و کریستال مانند مانند یک جامد دارد. آنها دریافتند که وقتی مایع به آرامی جریان می یابد، ریزساختارهای غیر کایرال آن به طور خود به خود به ساختارهای بزرگ، پیچ خورده و کایرال تبدیل می شوند. این اثر به این صورت است که گویی یک تسمه نقاله از مداد رنگی که همگی به طور متقارن در یک راستا قرار گرفته اند، به محض اینکه تسمه به سرعت معینی برسد، ناگهان خود را به شکل الگوهای مارپیچی بزرگ تغییر می دهد.

با توجه به اینکه کریستال مایع به طور طبیعی غیر کایرال یا “غیر کایرال” است، تبدیل هندسی غیرمنتظره است. بنابراین تحقیقات این تیم مسیر جدیدی را برای تولید ساختارهای کایرال باز می کند. محققان تصور می‌کنند که این ساختارها، پس از تشکیل، می‌توانند به عنوان داربست‌های مارپیچی برای جمع‌آوری ساختارهای مولکولی پیچیده عمل کنند. کریستال های مایع کایرال می توانند به عنوان حسگرهای نوری نیز مورد استفاده قرار گیرند، زیرا تغییر ساختاری آنها نحوه تعامل آنها با نور را تغییر می دهد.

Irmgard Bischofberger، دانشیار مهندسی مکانیک MIT، یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: “این هیجان انگیز است زیرا راهی آسان برای ساختار این نوع مایعات به ما می دهد.” و در سطح بنیادی، این روش جدیدی است که کایرالیته می تواند رخ دهد.»

نویسندگان همکار این مطالعه عبارتند از نویسنده اصلی، چینگ ژانگ، دکترای ’22، ویچیانگ وانگ و روی ژانگ از دانشگاه علم و فناوری هنگ کنگ، و شوانگ ژو از دانشگاه آمهرست ماساچوست.

راه راه های چشمگیر

کریستال مایع فازی از ماده است که دارای خواص مایع و جامد است. چنین مواد میانی مانند یک مایع جریان دارند و ساختار مولکولی مانند جامدات دارند. کریستال‌های مایع به‌عنوان یک عنصر اساسی در پیکسل‌هایی که نمایشگرهای LCD را تشکیل می‌دهند، استفاده می‌شوند، زیرا هم‌ترازی متقارن مولکول‌های آن‌ها را می‌توان به طور یکنواخت با ولتاژ تغییر داد تا تصاویری با وضوح بالا ایجاد کنند.

گروه بیشوفبرگر در MIT مطالعه می کند که چگونه مایعات و مواد نرم به طور خود به خود الگوهایی را در طبیعت و در آزمایشگاه تشکیل می دهند. این تیم به دنبال درک مکانیک های نهفته در دگرگونی های سیال بود که می تواند برای ایجاد مواد جدید و قابل تنظیم مجدد استفاده شود.

در مطالعه جدید خود، محققان بر روی نوع خاصی از کریستال مایع نماتیک متمرکز شدند – مایعی مبتنی بر آب که حاوی ساختارهای مولکولی میکروسکوپی و میله‌ای است. میله ها به طور کلی در سراسر مایع در یک جهت قرار دارند. ژانگ در ابتدا کنجکاو بود که این سیال در شرایط مختلف جریان چگونه رفتار می کند.

ژانگ به یاد می آورد: «این آزمایش را برای اولین بار در سال 2020 در خانه امتحان کردم. من نمونه‌هایی از مایع و یک میکروسکوپ کوچک داشتم و یک روز آن را روی جریان کم تنظیم کردم. وقتی برگشتم این الگوی واقعاً چشمگیر را دیدم.

او و همکارانش آزمایش های اولیه خود را در آزمایشگاه تکرار کردند. آنها یک کانال میکروسیال از دو اسلاید شیشه ای ایجاد کردند که با فضای بسیار نازکی از هم جدا شده و به یک مخزن اصلی متصل شده اند. این تیم به آرامی نمونه هایی از کریستال مایع را از طریق مخزن و به فضای بین صفحات پمپ کردند، سپس تصاویر میکروسکوپی از مایع در جریان آن گرفتند.

مانند آزمایش‌های اولیه ژانگ، تیم یک دگرگونی غیرمنتظره را مشاهده کرد: مایع معمولی یکنواخت شروع به تشکیل نوارهای ببر مانند کرد که به آرامی در کانال حرکت می‌کرد.

بیشوفبرگر می‌گوید: «تشکیل ساختاری شگفت‌انگیز بود، اما حتی شگفت‌انگیزتر از آن‌جا که ما واقعاً می‌دانستیم که چه نوع ساختاری را تشکیل داده است». “این جایی است که کایرالیته وارد می شود.”

خم شود و جریان یابد

این تیم با استفاده از انواع تکنیک های نوری و مدل سازی برای ردیابی موثر جریان مایع، کشف کردند که رگه های مایع به طور غیرمنتظره ای کایرال هستند. آنها متوجه شدند که وقتی حرکت می کنند، میله های میکروسکوپی مایع معمولاً به شکل تقریباً عالی در یک راستا قرار می گیرند. هنگامی که مایع به سرعت از طریق کانال پمپ می شود، میله ها کاملاً در هم ریخته می شوند. اما در جریان آهسته‌تر و متوسط، سازه‌ها شروع به لرزیدن می‌کنند، سپس به تدریج مانند ملخ‌های کوچک می‌پیچند و هر کدام کمی بیشتر از دیگری می‌چرخند.

اگر مایع به جریان آهسته خود ادامه دهد، کریستال های چرخان در ساختارهای مارپیچی بزرگی جمع می شوند که زیر میکروسکوپ مانند رگه هایی به نظر می رسند.

ژانگ می گوید: «این منطقه جادویی وجود دارد که اگر آنها را کمی به جریان بیاندازید، این ساختارهای مارپیچی بزرگ را تشکیل می دهند.

محققان دینامیک سیال را مدل‌سازی کردند و دریافتند که الگوهای مارپیچی بزرگ زمانی ظاهر می‌شوند که سیال به تعادل بین دو نیرو برسد: ویسکوزیته و کشش. ویسکوزیته توصیف می کند که چگونه یک ماده به راحتی جریان می یابد، در حالی که خاصیت ارتجاعی اساساً میزان احتمال تغییر شکل ماده است (مثلاً اینکه مایع چقدر راحت می چسبد و می پیچد).

بیشوفبرگر توضیح می دهد: «وقتی این دو نیرو تقریباً یکسان هستند، آنگاه این ساختارهای مارپیچی را می بینیم. این شگفت‌انگیز است که سازه‌های منفرد به ترتیب نانومتر را می‌توان در ساختارهای بسیار بزرگ‌تر در مقیاس میلی‌متری که نظم بالایی دارند، فقط با کمی خارج کردن آنها از حالت تعادل جمع‌آوری کرد.»

تیم متوجه شد که مجموعه‌های پیچ خورده هندسی کایرال دارند: اگر یک تصویر آینه‌ای از یک مارپیچ منفرد ساخته می‌شد، صرفنظر از اینکه مارپیچ‌ها چگونه مرتب شده‌اند، نمی‌توان آن را روی نمونه اصلی قرار داد. این واقعیت که مارپیچ‌های کایرال از مواد غیر کایرال و با وسایل غیر کایرال ظاهر می‌شوند، اولین مورد است و به یک روش نسبتاً ساده برای طراحی مایعات ساختاریافته اشاره می‌کند.

جولیانو زانچتا، دانشیار دانشگاه میلان که در این مطالعه شرکت نداشت، می‌گوید: «نتایج واقعاً شگفت‌انگیز و جذاب هستند». «کاوش در حدود این پدیده جالب خواهد بود. من الگوهای کایرال گزارش شده را راهی امیدوارکننده برای تعدیل دوره ای خواص نوری در مقیاس میکرو می بینم.”

بیشوفبرگر می گوید: «ما در حال حاضر چند دستگیره برای راه اندازی این ساختار داریم. این می‌تواند حسگر نوری جدیدی به ما بدهد که به روش‌های خاصی با نور تعامل دارد. همچنین می توان از آن به عنوان داربست برای رشد و انتقال مولکول ها برای تحویل دارو استفاده کرد. ما برای کشف تمام این فضای فاز جدید هیجان‌زده هستیم.»

این تحقیق تا حدی توسط بنیاد ملی علوم ایالات متحده پشتیبانی شده است.