Умное стекло, переходные линзы и кольца настроения - не единственные вещи, сделанные из жидких кристаллов; слизь, слизь слизняков и клеточные мембраны также содержат их. Теперь группа исследователей пытается лучше понять, как жидкие кристаллы в сочетании с бактериями образуют живые материалы и как они взаимодействуют, чтобы организовываться и двигаться.
«Одной из наших идей были живые материалы», - сказал Игорь С. Аронсон, заведующий кафедрой Хака и профессор биомедицинской инженерии, химии и математики. Живая материя, активная материя может самовосстанавливаться и изменять форму и преобразовывать энергию в механическое движение».
Живой материал, который Аронсон исследует с помощью прогнозирующих вычислительных моделей и экспериментов, состоит из бактерии - Bacillus subtilis, которая может быстро двигаться, используя свои длинные жгутики и нематический жидкий кристалл - динатрийкромогликат. Жидкие кристаллы как материалы находятся где-то между жидкостью и твердым телом. В этом случае молекулы динатриевого кромогликата выстраиваются в длинные параллельные ряды, но не фиксируются на месте. Способные двигаться, они остаются ориентированными только в одном направлении, если их не потревожить.
Согласно Аронсону, этот тип жидких кристаллов очень напоминает прямо вспаханное поле с гребнями в виде молекул и бороздами между ними.
Ранее исследователи обнаружили, что эти крошечные бактерии в жидкокристаллическом материале могут проталкивать груз - крошечные частицы - через каналы в жидком кристалле и двигаться в четыре раза больше их длины тела при небольших концентрациях, но консервативно, при 20 раз превышает длину их тела в больших количествах.
«Эффективное свойство комбинации жидкого кристалла и бактерий заключается в том, что при концентрации бактерий около 0,1 процента по объему мы начинаем видеть коллективный ответ бактерий», - сказал Аронсон..
Этот тип живого материала представляет собой не просто комбинацию двух компонентов, но эти две части создают нечто с необычными оптическими, физическими или электрическими свойствами. Однако прямой связи между бактериями и жидкостью нет. Компьютерные модели исследователей показали коллективное поведение в их системе, похожее на наблюдаемое в реальных комбинациях жидких кристаллов и бактерий.
Прогнозирующие вычислительные модели для этой системы жидкокристаллических бактерий показывают переход от прямых параллельных каналов, когда существует лишь небольшая популяция бактерий, к более сложной, организованной, активной конфигурации, когда популяция бактерий выше. Хотя узоры постоянно меняются, они, как правило, образуют стреловидные дефекты в форме стрелок, которые служат ловушками и концентрируют бактерии в определенной области, а также треугольные дефекты, направляющие бактерии из этой области. Повышенная концентрация бактерий увеличивает скорость бактерий, и конфигурации в областях с более высокой популяцией бактерий изменяются быстрее, чем в областях с меньшим количеством бактерий. Аронсон и его команда смотрели на реальные жидкокристаллические живые материалы несколько иначе, чем в прошлом. Они хотели, чтобы жидкокристаллическая тонкая пленка была независимой, не соприкасалась с какой-либо поверхностью, поэтому они использовали устройство, которое создавало пленку - способом, аналогичным тому, который используется для создания больших мыльных пузырей, - и подвешивали ее вдали от контакта с поверхностью. Этот подход показал образцы дефектов в структуре материала.
Эксперименты с тонкими пленками жидких кристаллов и бактерий дали те же результаты, что и вычислительные модели, по словам исследователей.
Другой эффект, обнаруженный исследователями, заключался в том, что при удалении кислорода из системы действие живого материала прекращалось. Bacillus subtilis обычно встречается в местах с кислородом, но может выжить в среде, лишенной кислорода. Бактерии в живом материале не погибли, они просто перестали двигаться, пока снова не появился кислород.
Исследователи сообщили в Physical Review X, что их «результаты предлагают новые подходы к отлову и транспортировке бактерий и синтетических плавунов в анизотропных жидкостях и расширяют набор инструментов для контроля и манипулирования микроскопическими объектами в активном веществе». Поскольку некоторые биологические вещества, такие как слизь и клеточные мембраны, иногда представляют собой жидкие кристаллы, это исследование может дать информацию о том, как эти биологические вещества взаимодействуют с бактериями, и может дать представление о заболеваниях, вызванных проникновением бактерий в слизь.