|
Достигли беспрецедентного контроля над активным веществом
|
|
|
|
Международная исследовательская группа, возглавляемая Университетом Брандейса, добилась крупного прорыва в области физики активного вещества, о чем подробно рассказывается в исследовании, опубликованном на этой неделе в Physical Review X. Это новаторское исследование предлагает первую экспериментальную проверку ключевого теоретического предсказания об активных нематических жидких кристаллах в 3D, заключив их в сферические ячейки размером с ячейку. капельки.
|
|
|
|
Нематические жидкие кристаллы, состоящие из вытянутых молекул, расположенных в одном направлении, произвели революцию в современных технологиях, особенно в жидкокристаллических дисплеях, используемых в смартфонах и компьютерных экранах. Управление ориентацией молекул в этих материалах позволяет получать яркие дисплеи, к которым мы привыкли каждый день.
|
|
|
|
В активных нематических жидких кристаллах молекулы потребляют энергию для своего движения. Эти активные материалы демонстрируют динамичное поведение, похожее на жизнь, например, самопроизвольную деформацию и текучесть, без каких-либо внешних воздействий. Примерами активных нематиков могут служить бактериальные биопленки, раковые клетки или даже зерна риса на вибрирующей тарелке.
|
|
|
|
Предыдущие экспериментальные исследования показали, что трехмерная активная нематика часто демонстрирует хаотическую динамику. Однако основополагающая теория активной материи предсказывает, что эти материалы должны прекращать движение при низком уровне энергии или сильном ограничении. Новое исследование показывает, что удержание этих материалов в каплях размером с ячейку действительно может остановить их хаотическое самовмешивающееся движение.
|
|
|
|
|
|
|
"Этот момент напоминает о первых днях развития жидкокристаллических технологий", - говорит доктор Салман Алам, ведущий автор исследования. "Нам удалось контролировать и стабилизировать активные жидкие кристаллы, которые преобразуют химическую энергию в движение, аналогично тому, как работают наши собственные клетки. Такой контроль над активным хаосом имеет решающее значение для будущего применения этих материалов в инженерных целях".
|
|
|
|
Команда ученых смешивает пучки микротрубочек — биополимеров, необходимых для деления клеток, — с моторными белками и маслом, чтобы получить эмульсию, активный аналог смеси масла и воды, которую можно найти в винегретах.
|
|
|
|
"Размещение этих материалов в каплях, похожих на ячейки, изменило правила игры", - объясняет доктор Гийом Дюкло, доцент кафедры физики и автор-корреспондент из Университета Брандейса. "Наша команда в течение многих лет стремилась проверить это фундаментальное предсказание теории активной материи. Такое плавное согласование теории с экспериментальными результатами - это поистине экстраординарно".
|
|
|
|
Международное сотрудничество оказалось решающим для успеха исследования. Доктор Абхинав Сингх, сотрудник Дрезденского технического университета, Института молекулярной клеточной биологии и генетики Макса Планка и Дрезденского центра системной биологии, руководил теоретической работой и моделированием.
|
|
|
|
"Совпадение наших теоретических предсказаний с экспериментальными результатами поразительно", - отмечает доктор Сингх. "Это подтверждает фундаментальное поведение активной материи, которое может продвинуть наше понимание живых систем и открыть двери для новых нанотехнологических инноваций".
|
|
|
|
Это исследование имеет важное значение для понимания различных биологических процессов, от выравнивания клеток в тканях до организации митотического веретена во время клеточного деления.
|
|
|
|
"Помимо подтверждения теории, это исследование прокладывает путь к достижениям в области материаловедения и мягкой робототехники", - говорит профессор Дж. Апарна Баскаран, физик-теоретик из Университета Брандейса, директор научно-технического центра по исследованию биоинспирированных материалов Брандейса (MRSEC) и соавтор этого исследования. "Мы расширяем наше понимание законов жизни и стираем границу между материей и жизнью".
|
|
|
|
Способность контролировать активные биополимеры может привести к достижениям в области искусственных клеток, самовосстанавливающихся материалов и биомедицинских применений. Например, это исследование могло бы помочь понять, как предотвратить неконтролируемое распространение метастатических раковых клеток или бактериальных биопленок - двух хорошо известных примеров активных нематиков.
|
|
|
|
Поскольку физика активного вещества знаменует собой эту веху, исследователи уже изучают возможности ее дальнейшего применения. "Мы стоим на пороге новой эры в материаловедении на стыке биологии, физики и инженерии", - заключает доктор Дюкло. "Наша работа направлена на стимулирование инноваций в области исследований активных веществ и их применения с помощью строительных материалов, обладающих свойствами, подобными жизни".
|
|
|
|
Источник
|
