Extiende las manos frente a ti y no importa c\u00f3mo las gires, es imposible superponer una sobre la otra. Nuestras manos son un ejemplo perfecto de quiralidad: una configuraci\u00f3n geom\u00e9trica mediante la cual un objeto no puede superponerse a su imagen especular.<\/p>\n
La quiralidad est\u00e1 en todas partes de la naturaleza, desde nuestras manos hasta la disposici\u00f3n de nuestros \u00f3rganos internos y la estructura espiral del ADN. Las mol\u00e9culas y materiales quirales han sido la clave para muchas terapias farmacol\u00f3gicas, dispositivos \u00f3pticos y metamateriales funcionales. Hasta ahora, los cient\u00edficos han asumido que la quiralidad engendra quiralidad, es decir, que las estructuras quirales surgen de fuerzas quirales y bloques de construcci\u00f3n. Pero tal vez sea necesario reajustar esa suposici\u00f3n.<\/p>\n
Los ingenieros del MIT descubrieron recientemente que la quiralidad tambi\u00e9n puede surgir en un material completamente no quiral y por medios no quirales. En un estudio que aparece hoy en Comunicaciones de la naturaleza<\/em>, el equipo informa haber observado quiralidad en un cristal l\u00edquido, un material que fluye como un l\u00edquido y tiene una microestructura no ordenada, similar a un cristal, como un s\u00f3lido. Descubrieron que cuando el fluido fluye lentamente, sus microestructuras normalmente no quirales se ensamblan espont\u00e1neamente en estructuras quirales grandes y retorcidas. El efecto es como si una cinta transportadora de crayones, todos alineados sim\u00e9tricamente, se reorganizara repentinamente en grandes patrones en espiral una vez que la cinta alcanza una cierta velocidad.<\/p>\n Cr\u00e9dito: Cortes\u00eda de los investigadores.<\/p>\n<\/figcaption><\/figure>\n La transformaci\u00f3n geom\u00e9trica es inesperada, dado que el cristal l\u00edquido es naturalmente no quiral o \"achiral\". El estudio del equipo abre as\u00ed un nuevo camino para generar estructuras quirales. Los investigadores imaginan que las estructuras, una vez formadas, podr\u00edan servir como andamios en espiral en los que ensamblar intrincadas estructuras moleculares. Los cristales l\u00edquidos quirales tambi\u00e9n podr\u00edan utilizarse como sensores \u00f3pticos, ya que su transformaci\u00f3n estructural cambiar\u00eda la forma en que interact\u00faan con la luz.<\/p>\n \"Esto es emocionante, porque nos brinda una manera f\u00e1cil de estructurar este tipo de fluidos\", dice la coautora del estudio Irmgard Bischofberger, profesora asociada de ingenier\u00eda mec\u00e1nica en el MIT. \"Y desde un nivel fundamental, esta es una nueva forma en que puede surgir la quiralidad\".<\/p>\n Los coautores del estudio incluyen al autor principal Qing Zhang PhD ’22, Weiqiang Wang y Rui Zhang de la Universidad de Ciencia y Tecnolog\u00eda de Hong Kong, y Shuang Zhou de la Universidad de Massachusetts en Amherst.<\/p>\n Rayas llamativas<\/strong><\/p>\n Un cristal l\u00edquido es una fase de la materia que incorpora propiedades tanto de un l\u00edquido como de un s\u00f3lido. Estos materiales intermedios fluyen como l\u00edquidos y est\u00e1n estructurados molecularmente como s\u00f3lidos. Los cristales l\u00edquidos se utilizan como elemento principal en los p\u00edxeles que componen las pantallas LCD, ya que la alineaci\u00f3n sim\u00e9trica de sus mol\u00e9culas se puede cambiar uniformemente con voltaje para crear colectivamente im\u00e1genes de alta resoluci\u00f3n.<\/p>\n El grupo de Bischofberger en el MIT estudia c\u00f3mo los fluidos y los materiales blandos forman patrones espont\u00e1neamente en la naturaleza y en el laboratorio. El equipo busca comprender la mec\u00e1nica subyacente a las transformaciones de fluidos, que podr\u00edan usarse para crear materiales nuevos y reconfigurables.<\/p>\n En su nuevo estudio, los investigadores se centraron en un tipo especial de cristal l\u00edquido nem\u00e1tico: un fluido a base de agua que contiene estructuras moleculares microsc\u00f3picas en forma de varillas. Las varillas normalmente se alinean en la misma direcci\u00f3n en todo el fluido. Al principio, Zhang ten\u00eda curiosidad por saber c\u00f3mo se comportar\u00eda el fluido en diversas condiciones de flujo.<\/p>\n \u201cProb\u00e9 este experimento por primera vez en casa, en 2020\u201d, recuerda Zhang. \u201cTen\u00eda muestras del fluido y un peque\u00f1o microscopio, y un d\u00eda simplemente lo configur\u00e9 a un flujo bajo. Cuando regres\u00e9, vi este patr\u00f3n realmente sorprendente\u201d.<\/p>\n 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 dep\u00f3sito principal. El equipo bombe\u00f3 lentamente muestras del cristal l\u00edquido a trav\u00e9s del dep\u00f3sito y hacia el espacio entre las placas, luego tom\u00f3 im\u00e1genes microsc\u00f3picas del fluido a medida que flu\u00eda.<\/p>\n Al igual que en los experimentos iniciales de Zhang, el equipo observ\u00f3 una transformaci\u00f3n inesperada: el fluido normalmente uniforme comenz\u00f3 a formar rayas parecidas a las de un tigre a medida que se mov\u00eda lentamente a trav\u00e9s del canal.<\/p>\n \"Fue sorprendente que formara alguna estructura, pero a\u00fan m\u00e1s sorprendente una vez que supimos realmente qu\u00e9 tipo de estructura form\u00f3\", dice Bischofberger. \"Ah\u00ed es donde entra en juego la quiralidad\".<\/p>\n Gira y fluye<\/strong><\/p>\n El equipo descubri\u00f3 que las franjas del fluido eran inesperadamente quirales, utilizando varias t\u00e9cnicas \u00f3pticas y de modelado para rastrear de manera efectiva el flujo del fluido. Observaron que, cuando est\u00e1n inm\u00f3viles, las varillas microsc\u00f3picas del fluido normalmente est\u00e1n alineadas en una formaci\u00f3n casi perfecta. Cuando el fluido se bombea r\u00e1pidamente a trav\u00e9s del canal, las varillas quedan completamente desordenadas. Pero en un flujo intermedio m\u00e1s lento, las estructuras comienzan a moverse y luego giran progresivamente como peque\u00f1as h\u00e9lices, cada una girando ligeramente m\u00e1s que la siguiente.<\/p>\n Si el fluido contin\u00faa su flujo lento, los cristales giratorios se ensamblan en grandes estructuras en espiral que aparecen como rayas bajo el microscopio.<\/p>\n \"Existe esta regi\u00f3n m\u00e1gica, donde si simplemente los haces fluir suavemente, forman estas grandes estructuras en espiral\", dice Zhang.<\/p>\n Los investigadores modelaron la din\u00e1mica del fluido y descubrieron que los grandes patrones en espiral emerg\u00edan 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 qu\u00e9 facilidad se mueven y tuercen las varillas del fluido).<\/p>\n \"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 nan\u00f3metros, puedan ensamblarse en estructuras mucho m\u00e1s grandes, de escala milim\u00e9trica y muy ordenadas, simplemente empuj\u00e1ndolas un poco fuera del equilibrio\".<\/p>\n El equipo se dio cuenta de que los conjuntos retorcidos tienen una geometr\u00eda quiral: si se hiciera una imagen especular de una espiral, no ser\u00eda posible superponerla sobre la original, sin importar c\u00f3mo 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 dise\u00f1ar fluidos estructurados.<\/p>\n \"Los resultados son realmente sorprendentes e intrigantes\", afirma Giuliano Zanchetta, profesor asociado de la Universidad de Mil\u00e1n, que no particip\u00f3 en el estudio. \u201cSer\u00eda interesante explorar los l\u00edmites de este fen\u00f3meno. Considerar\u00eda los patrones quirales reportados como una forma prometedora de modular peri\u00f3dicamente las propiedades \u00f3pticas a microescala\u201d.<\/p>\n \"Ahora tenemos algunas perillas para ajustar esta estructura\", dice Bischofberger. \u201cEsto podr\u00eda proporcionarnos un nuevo sensor \u00f3ptico que interact\u00fae con la luz de determinadas maneras. Tambi\u00e9n podr\u00eda usarse como andamio para cultivar y transportar mol\u00e9culas para la administraci\u00f3n de f\u00e1rmacos. Estamos emocionados de explorar este espacio de fase completamente nuevo\u201d.<\/p>\n Esta investigaci\u00f3n fue financiada, en parte, por la Fundaci\u00f3n Nacional de Ciencias de EE. UU.<\/p>\n<\/p><\/div>\n![\"Animaci\u00f3n](\"https:\/\/news.mit.edu\/sites\/default\/files\/images\/inline\/twisted-liquid.gif\")