Las rayas en un cristal líquido que fluye sugieren una ruta hacia los fluidos “quirales” | Noticias del MIT

Extiende las manos frente a ti y no importa cómo las gires, es imposible superponer una sobre la otra. Nuestras manos son un ejemplo perfecto de quiralidad: una configuración geométrica mediante la cual un objeto no puede superponerse a su imagen especular.

La quiralidad está en todas partes de la naturaleza, desde nuestras manos hasta la disposición de nuestros órganos internos y la estructura espiral del ADN. Las moléculas y materiales quirales han sido la clave para muchas terapias farmacológicas, dispositivos ópticos y metamateriales funcionales. Hasta ahora, los científicos han asumido que la quiralidad engendra quiralidad, es decir, que las estructuras quirales surgen de fuerzas quirales y bloques de construcción. Pero tal vez sea necesario reajustar esa suposición.

Los ingenieros del MIT descubrieron recientemente que la quiralidad también puede surgir en un material completamente no quiral y por medios no quirales. En un estudio que aparece hoy en Comunicaciones de la naturaleza, el equipo informa haber observado quiralidad en un cristal líquido, un material que fluye como un líquido y tiene una microestructura no ordenada, similar a un cristal, como un sólido. Descubrieron que cuando el fluido fluye lentamente, sus microestructuras normalmente no quirales se ensamblan espontáneamente en estructuras quirales grandes y retorcidas. El efecto es como si una cinta transportadora de crayones, todos alineados simétricamente, se reorganizara repentinamente en grandes patrones en espiral una vez que la cinta alcanza una cierta velocidad.

La transformación geométrica es inesperada, dado que el cristal líquido es naturalmente no quiral o "achiral". El estudio del equipo abre así un nuevo camino para generar estructuras quirales. Los investigadores imaginan que las estructuras, una vez formadas, podrían servir como andamios en espiral en los que ensamblar intrincadas estructuras moleculares. Los cristales líquidos quirales también podrían utilizarse como sensores ópticos, ya que su transformación estructural cambiaría la forma en que interactúan con la luz.

"Esto es emocionante, porque nos brinda una manera fácil de estructurar este tipo de fluidos", dice la coautora del estudio Irmgard Bischofberger, profesora asociada de ingeniería mecánica en el MIT. "Y desde un nivel fundamental, esta es una nueva forma en que puede surgir la quiralidad".

Los coautores del estudio incluyen al autor principal Qing Zhang PhD ’22, Weiqiang Wang y Rui Zhang de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong, y Shuang Zhou de la Universidad de Massachusetts en Amherst.

Rayas llamativas

Un cristal líquido es una fase de la materia que incorpora propiedades tanto de un líquido como de un sólido. Estos materiales intermedios fluyen como líquidos y están estructurados molecularmente como sólidos. Los cristales líquidos se utilizan como elemento principal en los píxeles que componen las pantallas LCD, ya que la alineación simétrica de sus moléculas se puede cambiar uniformemente con voltaje para crear colectivamente imágenes de alta resolución.

El grupo de Bischofberger en el MIT estudia cómo los fluidos y los materiales blandos forman patrones espontáneamente en la naturaleza y en el laboratorio. El equipo busca comprender la mecánica subyacente a las transformaciones de fluidos, que podrían usarse para crear materiales nuevos y reconfigurables.

En su nuevo estudio, los investigadores se centraron en un tipo especial de cristal líquido nemático: un fluido a base de agua que contiene estructuras moleculares microscópicas en forma de varillas. Las varillas normalmente se alinean en la misma dirección en todo el fluido. Al principio, Zhang tenía curiosidad por saber cómo se comportaría el fluido en diversas condiciones de flujo.

“Probé este experimento por primera vez en casa, en 2020”, recuerda Zhang. “Tenía muestras del fluido y un pequeño microscopio, y un día simplemente lo configuré a un flujo bajo. Cuando regresé, vi este patrón realmente sorprendente”.

Ella y sus colegas repitieron sus experimentos iniciales en el laboratorio. Fabricaron un canal de microfluidos a partir de dos portaobjetos de vidrio, separados por un espacio muy delgado, y conectados a un depósito principal. El equipo bombeó lentamente muestras del cristal líquido a través del depósito y hacia el espacio entre las placas, luego tomó imágenes microscópicas del fluido a medida que fluía.

Al igual que en los experimentos iniciales de Zhang, el equipo observó una transformación inesperada: el fluido normalmente uniforme comenzó a formar rayas parecidas a las de un tigre a medida que se movía lentamente a través del canal.

"Fue sorprendente que formara alguna estructura, pero aún más sorprendente una vez que supimos realmente qué tipo de estructura formó", dice Bischofberger. "Ahí es donde entra en juego la quiralidad".

Gira y fluye

El equipo descubrió que las franjas del fluido eran inesperadamente quirales, utilizando varias técnicas ópticas y de modelado para rastrear de manera efectiva el flujo del fluido. Observaron que, cuando están inmóviles, las varillas microscópicas del fluido normalmente están alineadas en una formación casi perfecta. Cuando el fluido se bombea rápidamente a través del canal, las varillas quedan completamente desordenadas. Pero en un flujo intermedio más lento, las estructuras comienzan a moverse y luego giran progresivamente como pequeñas hélices, cada una girando ligeramente más que la siguiente.

Si el fluido continúa su flujo lento, los cristales giratorios se ensamblan en grandes estructuras en espiral que aparecen como rayas bajo el microscopio.

"Existe esta región mágica, donde si simplemente los haces fluir suavemente, forman estas grandes estructuras en espiral", dice Zhang.

Los investigadores modelaron la dinámica del fluido y descubrieron que los grandes patrones en espiral emergían cuando el fluido alcanzaba un equilibrio entre dos fuerzas: viscosidad y elasticidad. La viscosidad describe la facilidad con la que fluye un material, mientras que la elasticidad es esencialmente la probabilidad de que un material se deforme (por ejemplo, con qué facilidad se mueven y tuercen las varillas del fluido).

"Cuando estas dos fuerzas son aproximadamente iguales, es cuando vemos estas estructuras en espiral", explica Bischofberger. "Es algo sorprendente que estructuras individuales, del orden de nanómetros, puedan ensamblarse en estructuras mucho más grandes, de escala milimétrica y muy ordenadas, simplemente empujándolas un poco fuera del equilibrio".

El equipo se dio cuenta de que los conjuntos retorcidos tienen una geometría quiral: si se hiciera una imagen especular de una espiral, no sería posible superponerla sobre la original, sin importar cómo se reorganizaran las espirales. El hecho de que las espirales quirales surgieran de un material no quiral y por medios no quirales es una novedad y apunta a una forma relativamente sencilla de diseñar fluidos estructurados.

"Los resultados son realmente sorprendentes e intrigantes", afirma Giuliano Zanchetta, profesor asociado de la Universidad de Milán, que no participó en el estudio. “Sería interesante explorar los límites de este fenómeno. Consideraría los patrones quirales reportados como una forma prometedora de modular periódicamente las propiedades ópticas a microescala”.

"Ahora tenemos algunas perillas para ajustar esta estructura", dice Bischofberger. “Esto podría proporcionarnos un nuevo sensor óptico que interactúe con la luz de determinadas maneras. También podría usarse como andamio para cultivar y transportar moléculas para la administración de fármacos. Estamos emocionados de explorar este espacio de fase completamente nuevo”.

Esta investigación fue financiada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.