شاشات الكريستال السائل في كل مكان. يتم استخدامها في مجموعة واسعة من التطبيقات، مثل شاشات الهواتف المحمولة ووحدات تحكم ألعاب الفيديو ولوحات معلومات السيارة والمعدات الطبية. نظرًا للخصائص الفريدة لهذه السوائل، تنتج شاشات الكريستال السائل (LCD) ألوانًا إذا مر تيار كهربائي من خلالها: إعادة ترتيب أشكالها وتعكس أطوال موجية مختلفة من الضوء.
الآن، اكتشف الباحثون في مختبر تشينيدوم أوسوجي، الأستاذ الرئاسي إدواردو د. جرانت ورئيس قسم الهندسة الكيميائية والبيولوجية الجزيئية، أن هذه البلورات غير العادية قد تكون قادرة على فعل المزيد. في ظل الظروف المناسبة، تتكثف البلورات السائلة لتشكل هياكل مذهلة، مما يؤدي تلقائيًا إلى تكوين خيوط وأقراص مسطحة يمكنها نقل المواد من مكان إلى آخر، تمامًا مثل الأنظمة البيولوجية المعقدة. يمكن أن تؤدي هذه الرؤية إلى طرق جديدة لتجميع المواد ونمذجة النشاط الخلوي وغير ذلك الكثير.
قال كريستوفر براون، زميل ما بعد الدكتوراه في مختبر أوسوجي والمؤلف المشارك الأول لورقة تصف الاكتشاف المنشورة مؤخرًا في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم (PNAS): "إنها مثل شبكة الحزام الناقل، وقد كانت هذه فرصة ملاحظة شيء يبدو واقعيًا للغاية على السطح - وكان هذا أول دليل على أنه قد يكون شيئًا أكثر عمومية وإثارة للاهتمام".
أصبح براون وأوسوجي الآن عضوين في مجموعة متعددة التخصصات تدعمها NSF ومقرها في مختبر أبحاث بنية المادة (LRSM)، بقيادة ماثيو جود، أستاذ مشارك في علم الأحياء الخلوي والتطور في كلية بيرلمان للطب، وإليزابيث رودس، أستاذة الكيمياء في كلية الآداب والعلوم، تدرس تكوين التكثيف في الأنظمة الحيوية وغير الحيوية.
في البداية، عمل مختبر أوسوجي مع شركة إكسون موبيل لدراسة الطبقة المتوسطة، وهي مادة تستخدم لتطوير ألياف الكربون عالية القوة مثل تلك الموجودة في سيارات سباق الفورمولا 1 ومضارب التنس المتطورة. وقال أوسوجي عن السلائف الكيميائية لألياف الكربون نفسها: "هذه المواد عبارة عن بلورات سائلة". "أو بالأحرى، أثناء المعالجة، تظل بلورات سائلة لفترة من الوقت أثناء وجودها". أثناء إجراء تجارب على المكثفات في درجات حرارة مختلفة، لاحظ يوما موريميتسو، وهو باحث آخر في مرحلة ما بعد الدكتوراه في مختبر أوسوديرا والمؤلف الأول المشارك في الورقة، السلوك غير المعتاد للمادة.
عادة، إذا تم جمع سائلين غير قابلين للامتزاج (أي غير قابلين للخلط) معًا ثم تسخينهما إلى درجة حرارة عالية بما يكفي لإجبارهما على الاختلاط، إذا تم تبريد الخليط بعد ذلك، في مرحلة ما سوف ينفصل الخليط أو "ينفصل". عادةً، يحدث هذا من خلال تكوين قطرات تتجمع في طبقة منفصلة، مثلما يحدث إذا قمت بخلط الزيت والماء معًا، فسوف ينتهي بك الأمر بطبقة من الزيت فوق الماء.
في هذه الحالة، البلورة السائلة - 4'-cyano-4-dodecyloxybiphenyl (المعروفة أيضًا باسم 12OCB) - شكلت تلقائيًا بنية غير منتظمة للغاية عند فصلها عن السكوالان، وهو زيت عديم اللون. وقال أوسوجي: "عندما تنفصل البلورات السائلة عن المكونات الأخرى في النظام، فبدلاً من تشكيل قطرات، فإنها تشكل سلسلة من الهياكل، بدءًا من هذه الخيوط التي تنمو بسرعة ثم تشكل مجموعة أخرى من الهياكل - ما نسميه الأقراص المرتفعة أو القطرات المسطحة".
ولفهم النظام، استخدم الباحثون مجاهر قوية لرصد حركة البلورات السائلة على مقياس ميكرون، أو جزء من مليون من المتر، وهو ما يعادل عرض شعرة الإنسان. يتذكر أوسوجي: "في المرة الأولى التي رأينا فيها هذه الهياكل، كان معدل التبريد مرتفعًا جدًا، مما تسبب في تكثيف البلورات السائلة معًا". "فقط من خلال إبطاء معدل التبريد وتضخيمه بشكل أكبر، أدرك الباحثون أن البلورات السائلة كانت تشكل تلقائيًا هياكل تذكرنا بالأنظمة البيولوجية."
ومن المثير للاهتمام أن براون وجد أن العديد من الباحثين اقتربوا من ملاحظة سلوك مماثل منذ عقود مضت، لكن الأنظمة التي درسوها إما لم يكن لديها سلوك واضح بشكل خاص أو كانت تفتقر إلى مجاهر قوية بما يكفي لرؤية ما يحدث.
بالنسبة لبراون، فإن الجانب الأكثر إثارة في هذه النتيجة هو أنها تجمع بين العديد من المجالات المنفصلة تقليديًا: مجال أبحاث المادة النشطة، الذي يدرس الأنظمة البيولوجية التي تنقل المواد وتولد الحركة، ومجال التجميع الذاتي وسلوك الطور، الذي يدرس المواد التي يمكن أن تولد هياكل جديدة من تلقاء نفسها وتتصرف بشكل مختلف عندما تغير الطور. هذا هو نوع جديد من نظام المواد النشطة.
وأشار هو وأوسوجي أيضًا إلى أنه يمكن استخدام النتائج لنمذجة الأنظمة البيولوجية لفهم كيفية عملها أو إنشاء المواد بشكل أفضل. قال أوسوجي: "يتم امتصاص الجزيئات في الخيوط ثم يتم نقلها باستمرار إلى هذه القطرات المسطحة، على الرغم من أن مجرد النظر إلى النظام لا يكشف عن أي نشاط واضح. في الواقع، يمكن للقطرات المسطحة أن تعمل مثل المفاعلات الصغيرة، وتنتج جزيئات يتم نقلها بعد ذلك بواسطة الخيوط إلى قطيرات أخرى للتخزين أو لمزيد من التفاعلات الكيميائية."
ويقول الباحثون أيضًا إن النتائج التي توصلوا إليها يمكن أن تنشط البحث في البلورات السائلة نفسها. عندما يصبح مجال ما صناعيا، تميل البحوث الأساسية إلى الانخفاض. لكن في بعض الأحيان توجد ألغاز لم يتم حلها ولا يستطيع أحد حلها.
تم تجميعها من /ScitechDaily