מהנדסי MIT הבחינו כי מבנים מסודרים של גביש נוזלי יתכנסו באופן ספונטני למבנים גדולים ומפותלים (בתמונה) כאשר הנוזל יזרום לאט. קרדיט: באדיבות החוקרים
מחקר מצא שמבנים כיראליים, עם תצורות של תמונת מראה, יכולים לצאת ממערכות לא כיראליות, מה שמציע דרכים חדשות להנדס את החומרים הללו.
הושט את הידיים שלך לפניך, ולא משנה איך תסובב אותן, אי אפשר להצמיד אחת על השנייה. הידיים שלנו הן דוגמה מושלמת לכיראליות – תצורה גיאומטרית שבאמצעותה לא ניתן להרכיב אובייקט על תמונת המראה שלו.
כיראליות נמצאת בכל מקום בטבע, מהידיים שלנו דרך סידור האיברים הפנימיים שלנו ועד למבנה הספירלי של DNA. מולקולות וחומרים כיראליים היו המפתח לטיפולים תרופתיים רבים, מכשירים אופטיים ופונקציונליים מטא-חומרים. עד כה הניחו מדענים שכיראליות מולידה כיראליות – כלומר, מבנים כיראליים עולים מכוחות כיראליים ואבני בניין. אבל ההנחה הזו עשויה להזדקק לשינוי מסוים.
גילוי פורץ דרך ב-MIT
MIT מהנדסים גילו לאחרונה כי כיראליות יכולה להופיע גם בחומר לא כיראלי לחלוטין, ובאמצעים לא כיראליים. במחקר שפורסם לאחרונה ב תקשורת טבעהצוות מדווח על התבוננות בכיראליות בגביש נוזלי – חומר שזורם כמו נוזל ויש לו מיקרו-מבנה לא מסודר דמוי גביש כמו מוצק.
הם גילו שכאשר הנוזל זורם לאט, המיקרו-מבנים הבלתי-כיראליים שלו בדרך כלל מתאספים באופן ספונטני למבנים כיראליים גדולים ומפותלים. ההשפעה היא כאילו מסוע של עפרונות צבעוניים, כולם מיושרים סימטרית, היו מסודרים לפתע לתבניות ספירליות גדולות ברגע שהרצועה מגיעה למהירות מסוימת.
מחקר של MIT מגלה שכאשר גביש נוזלי זורם לאט, מבני המיקרו המסודרים שלו בדרך כלל (איור משמאל למטה) מסתובבים ומתפתלים באופן ספונטני ליצירת פסים דמויי נמר בקנה מידה מאקרו. התגלית עשויה לפתוח דרכים חדשות לתכנון נוזלים מובנים למתן תרופות וחישה אופטית. קרדיט: באדיבות החוקרים
הפוטנציאל של גבישים נוזליים כיראליים
הטרנספורמציה הגיאומטרית היא בלתי צפויה, בהתחשב בכך שהגביש הנוזלי הוא לא כיראלי באופן טבעי, או "אכירלי". המחקר של הצוות פותח אפוא דרך חדשה ליצירת מבנים כיראליים. החוקרים מדמיינים שהמבנים, לאחר שנוצרו, יכולים לשמש פיגומים ספירליים שבהם ניתן להרכיב מבנים מולקולריים מורכבים. הגבישים הנוזליים הכיראליים יכולים לשמש גם כחיישנים אופטיים, שכן הטרנספורמציה המבנית שלהם תשנה את האופן שבו הם מתקשרים עם האור.
"זה מרגש, כי זה נותן לנו דרך קלה לבנות סוגים כאלה של נוזלים", אומרת מחברת המחקר Irmgard Bischofberger, פרופסור חבר להנדסת מכונות ב-MIT. "ומרמה בסיסית, זו דרך חדשה שבה כיראליות יכולה לצוץ."
מחברי המחקר כוללים את המחבר הראשי Qing Zhang PhD '22, Weiqiang Wang ו- Rui Zhang מאוניברסיטת הונג קונג למדע וטכנולוגיה, ושואנג ג'ואו מאוניברסיטת מסצ'וסטס באמהרסט.
פסים בולטים
גביש נוזלי הוא שלב של חומר המגלם תכונות של נוזל וגם של מוצק. חומרים ביניים כאלה זורמים כמו נוזל, והם בנויים מולקולרית כמו מוצקים. גבישים נוזליים משמשים כמרכיב העיקרי בפיקסלים המרכיבים תצוגות LCD, שכן ניתן לשנות את היישור הסימטרי של המולקולות שלהם באופן אחיד עם מתח כדי ליצור ביחד תמונות ברזולוציה גבוהה.
הקבוצה של בישופברגר ב-MIT חוקרת כיצד נוזלים וחומרים רכים יוצרים באופן ספונטני דפוסים בטבע ובמעבדה. הצוות מבקש להבין את המכניקה העומדת בבסיס טרנספורמציות נוזלים, שניתן להשתמש בהן כדי ליצור חומרים חדשים הניתנים להגדרה מחדש.
חקר דינמיקת נוזלים
במחקרם החדש התמקדו החוקרים בסוג מיוחד של גביש נוזלי נמטי – נוזל על בסיס מים המכיל מבנים מולקולריים מיקרוסקופיים דמויי מוט. המוטות בדרך כלל מיושרים באותו כיוון בכל הנוזל. ג'אנג היה בתחילה סקרן כיצד יתנהג הנוזל בתנאי זרימה שונים.
"ניסיתי את הניסוי הזה בפעם הראשונה בבית, ב-2020", נזכר ג'אנג. "היו לי דגימות של הנוזל ומיקרוסקופ קטן, ויום אחד פשוט כיוונתי אותו לזרימה נמוכה. כשחזרתי ראיתי את הדפוס הבולט הזה".
היא ועמיתיה חזרו על הניסויים הראשוניים שלה במעבדה. הם ייצרו תעלה מיקרופלואידית משתי שקופיות זכוכית, מופרדות על ידי חלל דק מאוד ומחוברות למאגר ראשי. הצוות שאב באיטיות דגימות של הגביש הנוזלי דרך המאגר ואל החלל שבין הלוחות, ואז צילם תמונות מיקרוסקופיות של הנוזל כשהוא זורם דרכו.
כמו הניסויים הראשוניים של ג'אנג, הצוות הבחין בשינוי בלתי צפוי: הנוזל האחיד בדרך כלל החל ליצור פסים דמויי נמר כאשר הוא נע באיטיות דרך הערוץ.
"זה היה מפתיע שהוא יצר כל מבנה, אבל מפתיע עוד יותר ברגע שידענו איזה סוג מבנה הוא נוצר", אומר בישופברגר. "כאן נכנסת הכיראליות."
טוויסט וזרימה
הצוות גילה שהפסים של הנוזל היו כיראליים באופן בלתי צפוי, על ידי שימוש בטכניקות אופטיות ומידול שונות כדי לחזור ביעילות על זרימת הנוזל. הם הבחינו שכאשר אינם זזים, המוטות המיקרוסקופיים של הנוזל מיושרים בדרך כלל בצורה כמעט מושלמת. כאשר הנוזל נשאב דרך התעלה במהירות, המוטות נמצאים באי סדר מוחלט. אבל בזרימה איטית יותר, בין לבין, המבנים מתחילים להתנועע, ואז מתפתלים בהדרגה כמו מדחפים זעירים, כל אחד מסתובב מעט יותר מהאחר.
אם הנוזל ממשיך בזרימתו האיטית, הגבישים המתפתלים מתאספים למבנים ספירליים גדולים המופיעים כפסים מתחת למיקרוסקופ.
"יש את אזור הקסם הזה, שבו אם אתה רק גורם להם לזרום בעדינות, הם יוצרים את המבנים הספירליים הגדולים האלה", אומר ג'אנג.
החוקרים דגלו את הדינמיקה של הנוזל ומצאו כי דפוסי הספירלה הגדולים הופיעו כאשר הנוזל הגיע לאיזון בין שני כוחות: צמיגות וגמישות. צמיגות מתארת באיזו קלות חומר זורם, בעוד שהגמישות היא בעצם מידת הסבירות של חומר להתעוות (לדוגמה, באיזו קלות מוטות הנוזל מתנועעים ומתפתלים).
"כששני הכוחות האלה זהים בערך, אז אנחנו רואים את המבנים הספירליים האלה", מסביר בישופברגר. "זה די מדהים שמבנים בודדים, בסדר גודל של ננומטר, יכולים להרכיב למבנים הרבה יותר גדולים, בקנה מידה מילימטר, מסודרים מאוד, רק על ידי דחיקתם מעט משיווי המשקל."
הצוות הבין שלמכלולים המעוותים יש גיאומטריה כיראלית: אם תמונת מראה הייתה עשויה מספירלה אחת, לא ניתן יהיה להרכיב אותה מעל המקור, לא משנה איך הספירלות היו מסודרות מחדש. העובדה שהספירלות הכיראליות יצאו מחומר לא-כיראלי, ובאמצעים לא-כיראליים, היא דבר ראשון ומצביעה על דרך פשוטה יחסית להנדס נוזלים מובנים.
השלכות וכיוונים עתידיים
"התוצאות אכן מפתיעות ומסקרנות", אומר ג'וליאנו זנצ'טה, פרופסור חבר באוניברסיטת מילאנו, שלא היה מעורב במחקר. "יהיה מעניין לחקור את גבולות התופעה הזו. הייתי רואה את הדפוסים הכיראליים המדווחים כדרך מבטיחה לווסת מעת לעת תכונות אופטיות בקנה מידה מיקרו".
"עכשיו יש לנו כמה כפתורים כדי לכוון את המבנה הזה", אומר בישופברגר. "זה עשוי לתת לנו חיישן אופטי חדש שמקיים אינטראקציה עם אור בדרכים מסוימות. זה יכול לשמש גם כפיגומים לגידול ולהובלה של מולקולות לאספקת תרופות. אנו נרגשים לחקור את כל מרחב השלב החדש הזה."
מחקר זה נתמך, בין השאר, על ידי הקרן הלאומית למדע בארה"ב.
