新研究发现手性也可以出现在完全非手性的材料中

麻省理工学院的工程师观察到，当液体缓慢流动时，液晶的有序微结构会自发组合成大型扭曲结构（如图）。图片来源：研究人员提供

麻省理工学院的突破性发现

麻省理工学院的工程师们最近发现，手性也可以出现在完全非手性的材料中，而且是通过非手性的方式。在最近发表于《自然-通讯》（Nature Communications）上的一项研究中，研究小组报告说，他们在一种液晶中观察到了手性--一种像液体一样流动、像固体一样具有非有序晶体状微观结构的材料。

他们发现，当流体缓慢流动时，其正常的非手性微结构会自发地组合成大型、扭曲的手性结构。这种效果就好像一条蜡笔传送带，所有蜡笔都是对称排列的，当传送带达到一定速度时，蜡笔会突然重新排列成大型螺旋图案。

麻省理工学院的一项研究发现，当液晶缓慢流动时，其通常有序的微观结构（左下图）会自发地旋转和扭曲，形成宏观尺度的虎纹状条纹。这一发现为设计用于药物输送和光学传感的结构液体开辟了新途径。图片来源：研究人员提供

手性液晶的潜力

鉴于液晶天然是非手性的，或者说是"非手性"的，这种几何转换是出乎意料的。因此，研究小组的研究为生成手性结构开辟了一条新途径。研究人员设想，这种结构一旦形成，就可以作为螺旋支架，在其中组装复杂的分子结构。手性液晶还可用作光学传感器，因为它们的结构转变将改变它们与光的相互作用方式。

这项研究的合著者、麻省理工学院机械工程副教授 Irmgard Bischofberger 说："这令人兴奋，因为它为我们提供了一种构造这类流体的简便方法。从根本上说，这是手性出现的一种新方式"。

该研究的共同作者包括第一作者、22 岁的张庆（音译）博士、香港科技大学的王伟强和张瑞，以及马萨诸塞大学阿默斯特分校的周爽。

醒目的条纹

液晶是一种同时具有液体和固体特性的物质相。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。液晶是构成液晶显示器像素的主要元素，因为液晶分子的对称排列可以通过电压均匀切换，从而共同形成高分辨率图像。

Bischofberger 在麻省理工学院的研究小组研究流体和软材料如何在自然界和实验室中自发形成图案。该研究小组试图了解流体转化的基本力学原理，这些原理可用于制造新型可重构材料。

探索流体动力学

在他们的新研究中，研究人员重点研究了一种特殊类型的向列液晶--一种含有微小棒状分子结构的水基流体。在整个流体中，杆状分子结构通常朝同一方向排列。张瑞最初对这种液体在各种流动条件下的表现感到好奇。

"2020年，我在家里第一次尝试了这个实验，"张回忆道。"我有液体样本和一个小型显微镜，有一天我把它调到低流量。当我回来时，我看到了这个非常引人注目的图案。"

她和同事们在实验室里重复了最初的实验。他们用两块玻璃板制作了一个微流体通道，两块玻璃板之间隔着很薄的空间，并与一个主贮水池相连。研究小组缓慢地将液晶样品泵入储液器，再泵入玻片之间的空间，然后拍摄液体流过时的显微镜图像。

与张博士最初的实验一样，研究小组观察到了意想不到的变化：通常均匀的流体在通道中缓慢移动时，开始形成虎纹状条纹。

Bischofberger 说："它形成的任何结构都令人惊讶，但当我们真正知道它形成的是哪种结构时，就更令人惊讶了。这就是手性的作用所在"。

扭转与流动

研究小组利用各种光学和建模技术有效地回溯了流体的流动过程，意外地发现流体的条纹具有手性。他们观察到，在不动的情况下，流体的微观杆通常排列得近乎完美。当流体被快速泵送通过通道时，微棒会完全混乱。但在流速较慢、介于两者之间的情况下，这些结构开始摆动，然后像微小的螺旋桨一样逐渐扭曲，每一根都比下一根转动得稍多一些。

如果流体继续缓慢流动，扭曲的晶体就会聚集成大型螺旋结构，在显微镜下呈现条纹状。

张说："这里有一个神奇的区域，如果你轻轻地让它们流动，它们就会形成这些大的螺旋结构。"

研究人员建立了流体动力学模型，发现当流体在粘度和弹性这两种力之间达到平衡时，就会出现大型螺旋图案。粘度描述的是材料流动的容易程度，而弹性则主要是指材料变形的可能性（例如，流体的棒状物摆动和扭曲的容易程度）。

比绍夫伯格解释说："当这两种力大致相同时，我们就会看到这些螺旋结构。纳米级的单个结构，只需将其推离平衡状态一点点，就能组装成更大的、毫米级的结构，而且非常有序，这有点令人惊讶。"

研究小组意识到，扭曲的组合体具有手性几何结构：如果将一个螺旋做成镜像，那么无论怎样重新排列螺旋，都不可能将其叠加到原来的螺旋上。手性螺旋从一种非手性材料中通过非手性方式产生，这是一个创举，也为结构流体的工程化提供了一种相对简单的方法。

影响和未来方向

米兰大学副教授朱利亚诺-赞切塔（Giuliano Zanchetta）没有参与这项研究，他说："研究结果确实令人惊讶，也很有趣。探索这一现象的边界将是非常有趣的。我认为报告中的手性图案是在微观尺度上周期性调节光学特性的一种很有前景的方法"。

编译自:ScitechDaily