Жидкий кристалл из бактериофагов показал динамический хаос активного вещества

Ученые впервые запечатлели в режиме реального времени хаотические движения внутри трехмерного активного жидкого кристалла. Ранее подобное поведение в первую очередь изучалось посредством симуляций и теоретических оценок. Полученная система может стать экспериментальной платформой для изучения многих явлений в активных средах, таких как многокомпонентные жидкости, метаматериалы, биологические ткани, а также группы роботов или организмов, пишут авторы в журнале Science.

Вещество называется активным, если содержит большое количество элементов, способных самостоятельно двигаться или развивать механическое усилие. Так как на эту деятельность необходимо постоянно тратить энергию, то подобные системы по определению не могут находиться в состоянии термодинамического равновесия. Альтернативное определение активного вещества гласит, что оно должно в ответ на приток энергии извне формировать крупные упорядоченные участки, порождаемые локальными взаимодействиями элементов.

Активные вещества встречаются как в живой, так и в неживой природе, причем на самых различных масштабах. Например, такой системой могут быть самоорганизующиеся биополимеры, стая птиц или растворенные в жидкости самодвижущиеся частицы. Подобные среды в некоторых аспектах могут быть похожи на газы или жидкости, но, с другой стороны, в них может наблюдаться ряд явлений, нехарактерных для пассивных физических объектов. До недавнего времени большинство искусственных активных сред, с которыми можно было экспериментировать в лаборатории, были двумерными.

Ученые из Германии, Нидерландов и США под руководством Гийома Дюкло (Guillaume Duclos) из Брандейского университета скомбинировали ряд методик и получили возможность наблюдать в реальном времени за хаотической динамикой внутри трехмерного жидкого кристалла (ЖК). Авторы использовали нематические ЖК (вытянутые частицы с выделенной усредненной ориентацией), с добавленными поперечными смычками, которые могли удлиняться при внешнем воздействии. В результате в веществе возникали механические напряжения и неустойчивости, которые порождали потоки по всему объему.

Нематики неспособны сопротивляться сдвиговым деформациям и ведут себя подобно жидкости в таком случае. Однако при изгибании они проявляют свойства упругих тел и сопротивляются этому воздействию. В активном нематике небольшие изгибные деформации многократно усиливаются за счет свойств среды, что порождает неустойчивости и объемные потоки, которые принято называть активной турбулентностью. В отличие от стандартной турбулентности в обычных жидкостях, такой режим хаотических течений характеризуется преимущественным возникновением вихрей определенного размера.

Активная турбулентность в нематиках подробно изучена в двумерном случае. В таких тонких пленках вихри образуются вокруг топологических дефектов ориентации молекул ЖК и ведут себя подобно электрическим зарядам — могут притягиваться или отталкиваться в зависимости от знака. Такие «топологические заряды» оказываются сохраняющейся величиной, то есть в изначально лишенном дефектов ЖК не может возникнуть суммарного заряда, и никакая деформация не может изменить их знак. В результате внешние воздействия приводят к появлению пар таких вихрей с противоположным направлением вращения.

В отличие от двумерного случая, в трехмерных нематиках могут возникать принципиально другие виды дефектов — дисклинации. Они могут принимать форму линий или петель и не характеризуются зарядом, поэтому могут возникать и исчезать самостоятельно. Они хорошо известны в статичном случае пассивных сред, но фактически не наблюдались непосредственно в трехмерных активных средах в динамике до сих пор.

В качестве образующих частиц кристаллов вместо вытянутых молекул авторы работы использовали вирусные частицы бактериофагов, чья форма также вытянута, а большой по сравнению с молекулами размер облегчает изучение. Бактериофаги образуют нематик при комнатной температуре, а чтобы сделать из него активную среду, авторы присоединили к ним перемычки из микротрубочек и молекулярных моторов, выделенных их эукариотических клеток. При добавлении аденозинтрифосфата — стандартного внутриклеточного носителя энергии — молекулярные моторы приходили в движение, внутри нематика появлялись механические напряжения и возникали объемные вихри.

Наблюдения с достаточно высоким разрешением как во времени, так и в пространстве удалось провести с помощью техники поляризационной микроскопии светового листа. Этот метод заключается в послойном облучении образца плоским пучком света с высокой скоростью. В результате ученым удалось запечатлеть возникновение и эволюцию вихрей в реальном времени.

Зафиксированные в эксперименте варианты динамики петелевых дисклинаций: A — возникновение, B — исчезновение, C — разделение, D — слияние

Оказалось, что основным видом дефектов являются именно дисклинации в форме линий или петель, некоторые из которых закручены подобно ленте Мёбиуса. Эти дефекты могут возникать, разрываться, отщепляться, сливаться (в том числе с формированием протяженных структур) и исчезать, причем для этого даже не нужно предварительное наличие заметных неоднородностей в ориентации частиц бактериофагов.
Авторы называют полученную систему относительно простой, поэтому она может стать основой для моделирования более сложных или трудных для работы активных веществ, в том числе колоний бактерий и живых тканей. В будущем подобные работы можно будет провести с другими видами жидких кристаллов: смектиками или хиральными нематиками, у которых нет двумерного аналога.

Ранее ученые заметили образование в нанопорах наноколец из дискообразных частиц жидких кристаллов, предложили с их помощью защищать летчиков от ослепляющих лазеров и получили на их основе сложную линзу для четырехмерной визуализации.

Тимур Кешелава

https://nplus1.ru/