Активные нематики собрались в сферический жидкий кристалл

Физики собрали активные нематики в сферическую каплю и превратили ее в неподвижный жидкий кристалл. Оказалось, что при неизменности формы и неподвижности самой капли в ней все равно сформировались хаотические потоки вещества, которые привели систему к нестабильности. Новый способ изготовления жидких кристаллов может пригодиться для создания лекарств, говорится в статье, опубликованной в Physical Review X.

Активные нематики — подвижные и локально выровненные стержнеобразные частицы, объединенные в суспензию. В отсутствие пространственных ограничений системы активных нематиков спонтанно текут и деформируются, но если их ограничить в пространстве, то активные нематики образуют жидкие кристаллы с хаотическими, периодическими или циркулирующими потоками вещества внутри.

Зачастую активные нематики ограничивают между двумя плоскостями, однако этот способ не годится, например, для медицинских целей: чтобы удержать активные нематики между двумя плоскостями, необходимо жестко соблюдать граничные условия для этих плоскостей. На данный момент такой контроль обеспечивают с помощью дополнительного внешнего воздействия (магнитного или электрического поля), что практически нереализуемо в условиях живого организма. В то же время активные нематики, заключенные в замкнутые трехмерные структуры, могли бы доставлять необходимые вещества (например, бактериофаги) точно по адресу.

Гийом Дюкло (Guillaume Duclos) из Университета Брандейса и его коллеги из Германии и США придумали способ, с помощью которого активные нематики можно собирать в жидкие кристаллы сферической формы. Исследователи диспергировали биополимеры из микротрубочек тубулина, полученного из мозга быка, в плотный пассивный коллоидный жидкий кристалл. Микротрубочки тубулина, изначальная длина которых составила около 1,5 микрометра, переплелись и удлинились, что привело к возникновению коллективных потоков, а те в свою очередь адвектировали пассивные коллоидные стержни и деформировали их структуру в нематический жидкий кристалл каплевидной формы.

Размеры полученных капель составили от 30 до 90 микрометров, и для наблюдения за потоками внутри них исследователи использовали метод трассеров (PIV): ученые добавили в жидкие кристаллы наночастицы, которые при облучении светом визуализировали движение вещества.

Выяснилось, что активный жидкий кристалл находился в состоянии покоя, но далеко от состояния равновесия, то есть сама капля никуда не двигалась и не меняла свою форму, но внутри нее продолжили формироваться хаотические потоки вещества. Также PIV-анализ показал, что потоки вещества оказались значительно медленнее в центре и на краях капли, а на расстоянии половины радиуса от центра скорость их возросла до максимальной. Ученые сопоставили визуализацию потоков внутри сферического жидкого кристалла с уравнениями нематической гидродинамики и выяснили, что течение материи внутри капли соответствовало теоретическим предсказаниям.

Авторы работы отметили, что их исследование расширяет понимание того, как работает динамика живой материи, например, в случае веретена деления, которое состоит из длинных динамических микротрубочек, проявляющих свойства активных нематиков. Исследование физиков также продвинуло понимание механизма того, как возникает турбулентность при низких числах Рейнольдса в трехмерных активных жидких кристаллах.

О том, как спиновые нематики и холодные атомы помогут в изучении гравитационных волн, мы писали ранее.