流动液晶中的条纹暗示了通往“手性”流体的途径

把你的手放在你面前，无论你如何旋转它们，都不可能将一只手叠加在另一张上。我们的手是手性的完美例子——一种几何结构，通过这种配置，物体不能叠加到它的镜像上。

手性在自然界中无处不在，从我们的手到我们内脏器官的排列，再到DNA的螺旋结构。手性分子和材料一直是许多药物疗法、光学器件和功能超材料的关键。到目前为止，科学家们一直认为手性会产生手性——也就是说，手性结构是从手性力和构建块中产生的。但这个假设可能需要一些重新调整。

麻省理工学院的工程师最近发现，手性也可以通过非手性方式出现在完全非手性的材料中。在今天发表在 《自然通讯》（Nature Communications）上的一项研究中，该团队报告说观察到液晶中的手性 – 一种像液体一样流动的材料，具有像固体一样的无序晶体状微观结构。他们发现，当流体缓慢流动时，其通常非手性的微观结构会自发地组装成大的、扭曲的手性结构。其效果就好像一条由蜡笔组成的传送带，所有蜡笔都是对称排列的，一旦传送带达到一定速度，就会突然重新排列成大的螺旋状图案。

几何转变是出乎意料的，因为液晶自然是非手性的，或者说是“非手性的”。因此，该团队的研究为生成手性结构开辟了一条新途径。研究人员设想，这些结构一旦形成，就可以作为螺旋支架来组装复杂的分子结构。手性液晶也可以用作光学传感器，因为它们的结构转变会改变它们与光相互作用的方式。

“这令人兴奋，因为这为我们提供了一种简单的方法来构建这些类型的流体，”该研究的共同作者，麻省理工学院机械工程副教授Irmgard Bischofberger说。“从根本上讲，这是手性出现的一种新方式。

该研究的合著者包括主要作者Qing Zhang博士’22，香港科技大学的Weiqiang Wang和Rui Zhang，以及马萨诸塞大学阿默斯特分校的Shuang 周。

醒目的条纹

液晶是物质的一相，体现了液体和固体的特性。这种介于两者之间的材料像液体一样流动，分子结构像固体一样。液晶被用作构成LCD显示器的像素的主要元素，因为它们分子的对称排列可以与电压均匀切换，以共同创建高分辨率图像。

麻省理工学院的Bischofberger小组研究了流体和软材料如何在自然界和实验室中自发形成图案。该团队试图了解流体转变背后的力学，这些力学可用于创造新的、可重构的材料。

在他们的新研究中，研究人员专注于一种特殊类型的向列液晶 – 一种包含微观棒状分子结构的水基流体。杆通常在整个流体中沿同一方向对齐。Zhang最初很好奇流体在各种流动条件下的表现。

“2020年，我第一次在家里尝试了这个实验，”张回忆道。“我有液体样本和一台小型显微镜，有一天我只是将其设置为低流量。当我回来时，我看到了这种非常引人注目的模式。

她和她的同事们在实验室里重复了她的初步实验。他们用两个载玻片制造了一个微流体通道，由一个非常薄的空间隔开，并连接到一个主储液器。研究小组慢慢地将液晶样品泵入储液器并进入板之间的空间，然后在流体流过时拍摄显微镜图像。

与Zhang最初的实验一样，研究小组观察到了一个意想不到的转变：通常均匀的流体在缓慢地穿过通道时开始形成老虎状的条纹。

“令人惊讶的是，它形成了任何结构，但一旦我们真正知道它形成了什么类型的结构，就更令人惊讶了，”Bischofberger说。“这就是手性的意义所在。”

扭曲和流动

研究小组发现，通过使用各种光学和建模技术来有效地回溯流体的流动，流体的条纹出乎意料地具有手性。他们观察到，当不动时，流体的微观棒通常以近乎完美的形态排列。当流体快速泵入通道时，棒材完全混乱。但是在较慢的中间流动中，结构开始摆动，然后像微小的螺旋桨一样逐渐扭曲，每个螺旋桨都比下一个稍微转动得更多。

如果流体继续缓慢流动，扭曲的晶体会组装成大的螺旋结构，在显微镜下显示为条纹。

“有一个神奇的区域，如果你轻轻地让它们流动，它们就会形成这些巨大的螺旋结构，”张说。

研究人员对流体的动力学进行了建模，发现当流体在粘度和弹性两种力之间达到平衡时，就会出现大的螺旋模式。粘度描述了材料流动的难易程度，而弹性本质上是材料变形的可能性（例如，流体棒摆动和扭曲的难易程度）。

“当这两种力大致相同时，我们就会看到这些螺旋结构，”Bischofberger解释道。“令人惊讶的是，单个结构，在纳米量级上，可以组装成更大的毫米级结构，这些结构非常有序，只是将它们推离平衡一点点。

研究小组意识到，扭曲的组合具有手性几何形状：如果镜像是由一个螺旋组成的，那么无论螺旋如何重新排列，都不可能将其叠加在原始图像上。手性螺旋从非手性材料中出现，并通过非手性手段出现，这一事实是第一个，并指出了一种相对简单的结构流体工程化方法。

“结果确实令人惊讶和耐人寻味，”米兰大学副教授朱利亚诺·赞切塔（Giuliano Zanchetta）说，他没有参与这项研究。“探索这种现象的边界会很有趣。我认为报道的手性模式是一种很有前途的方法，可以在微观尺度上周期性地调节光学特性。

“我们现在有一些旋钮来调整这种结构，”Bischofberger说。“这可能会为我们提供一种新的光学传感器，它以某种方式与光相互作用。它还可以用作支架，以生长和运输用于药物递送的分子。我们很高兴能够探索这个全新的相位空间。

这项研究得到了美国国家科学基金会的部分支持。