新研究表明，液晶可以形成模拟生物传输系统的动态结构，这表明其在创造自组装材料和模拟生物系统方面具有潜在的应用价值。
液晶无处不在。它们被用于多种应用，如手机屏幕、视频游戏机、汽车仪表板和医疗设备。由于这些流体的独特性质，如果你给液晶显示屏（LCD）通电，它们就会生成颜色：重新排列它们的形状，它们就会反射不同波长的光。
液晶结构的新发现
现在，化学和生物分子工程系主任、爱德华多·D·格兰德特总统教授奇内杜姆·奥苏吉实验室的研究人员发现，这些非凡的晶体可能还有更大的用途。在适当的条件下，液晶会凝结成惊人的结构，自发产生细丝和平坦的圆盘，这些细丝和圆盘可以将物质从一个地方运送到另一个地方，这与复杂的生物系统非常相似。这一见解可能会催生自组装材料、新的细胞活动建模方法等等。
“这就像是一个传送带网络，”奥苏吉实验室的博士后研究员克里斯托弗·布朗说，他也是《美国国家科学院院刊》(PNAS)最近一篇描述这一发现的论文的合著者。“这是一次偶然的观察，它看起来非常逼真，这就是最初的线索，说明这可能是一些更普遍、更有趣的东西。”
冷凝水形成的协同研究
布朗和奥苏吉现在是美国国家科学基金会支持的一个跨学科研究小组的成员，该小组由佩雷尔曼医学院细胞与发育生物学副教授马修·古德和文理学院化学教授伊丽莎白·罗兹领导，他们在物质结构研究实验室（LRSM）工作，该实验室致力于研究生物和非生物系统中的凝结物形成。
液晶相分离中的异常行为
起初，奥苏吉的实验室与美国埃克森美孚公司合作，研究中间相沥青，这是一种用于开发高强度碳纤维的物质，如一级方程式赛车和高档网球拍中所用的碳纤维。“这些材料的化学前体是液晶”，奥苏吉说道。“或者更准确地说，它们在加工过程中有一段时间是液晶态的。”在奥苏吉实验室的另一位博士后研究员、本文的另一位并列第一作者森光友马对不同温度的冷凝物进行实验时，发现了这种材料中的异常行为。
通常，如果你将两种不混溶（即不可混合）的液体混合在一起，然后加热到足够高的温度以迫使它们混合，然后再对混合物进行冷却，在某个时候，它会分离或“分相”。通常，这是通过液滴的形成而发生的，这些液滴聚结在一起形成单独的层，就像将油和水混合在一起时，你最终会在水面上形成一层油一样。
独特的相分离与结构形成
在这种情况下，液晶4'-氰基-4-十二烷氧基联苯（也称为12OCB）在与无色油角鲨烷分离时自发形成了高度不规则的结构。“它不会形成液滴，”奥苏吉表示，“当液晶与系统中的其他组分发生相分离时，你会形成层叠结构，首先是这些细丝，它们迅速生长，然后形成另一组结构——我们称之为凸起圆盘或扁平液滴。”
液晶行为观察及其启示
为了了解这个系统，研究人员使用强大的显微镜来观察微米级的液晶运动——即百万分之一米，相当于一根人类头发的宽度。“当我们第一次看到这些结构时，我们是在过高的冷却速率下观察它们的，”领导这项研究的奥苏吉回忆说，这导致液晶聚集成团。研究人员只有降低冷却速率并进一步放大后，才意识到液晶自发形成了类似生物系统的结构。
有趣的是，布朗发现，几十年前，一些研究人员已经接近观察到类似的行为，但他们要么研究的是行为不是特别明显的系统，要么缺乏足够强大的显微镜来可视化正在发生的事情。
潜在应用与未来研究
对于布朗来说，结果最令人兴奋的含义是它将几个传统上不同的领域结合在一起：主动物质研究的世界，它关注运输物质并产生运动的生物系统，以及自组装和相行为领域，它们研究自行创造新结构并在改变相时表现不同的材料。“这是一种新型的有源物质系统”，布朗说。
他和奥苏吉也指出了利用这些发现来模拟生物系统的可能性，以便更好地了解它们的工作方式或制造材料。“分子被吸收进细丝中，然后被连续地转移到这些扁平的液滴中，”奥苏吉说，“尽管仅通过观察系统，你无法辨别出任何明显的活动。”实际上，扁平的液滴可以像小型反应器一样工作，产生细丝携带到其他液滴中用于储存或进一步化学活动的分子。
研究人员还表示，他们的发现可能会重新激发对液晶本身的研究。“当一个领域变得工业化时，”布朗说，“往往基础研究就会减少。但有时会有一些悬而未决的难题，没有人能够解决。”
参考文献：莫里米苏（Yuma Morimitsu）、克里斯托弗·A·布朗（Christopher A. Browne）、刘哲（Zhe Liu）、保罗·G·塞维里诺（Paul G. Severino）、马内什·戈皮纳达恩（Manesh Gopinadhan）、埃里克·B·西罗塔（Eric B. Sirota）、奥兹坎·阿尔廷塔斯（Ozcan Altintas）、卡泽姆·V·埃德蒙（Kazem V. Edmond）和奇内杜姆·O·奥苏吉（Chinedum O. Osuji）于2024年9月13日在《美国国家科学院院刊》上发表的“结构化流体相分离过程中的冷凝网络自发组装”。DOI: 10.1073/pnas.2407914121
这项研究是在宾夕法尼亚大学工程学院和应用科学学院化学与生物分子工程系以及艺术与科学学院物理与天文学系以及埃克森美孚公司的研究部门进行的。这项工作得到了埃克森美孚公司和美国国家科学基金会（DMR-2309043）的资助。
