Кристалл порождает кристалл

Из жидких кристаллов может быть получен совершенно новый класс материалов с необычными свойствами

Григорий Колпаков 03.05.2012, 10:13
В наномасштабе жидкие кристаллы создают упорядоченные структуры Juan de Pablo, University of Wisconsin - Madison
В наномасштабе жидкие кристаллы создают упорядоченные структуры

Из жидких кристаллов может быть получен совершенно новый класс материалов с необычными свойствами. Оказалось, что жидкие кристаллы создают упорядоченные структуры, которым можно найти массу практических применений, например в технологии обнаружения и идентификации определенных токсинов, биомолекул или вирусов.

Жидкие кристаллы, подарившие человечеству плоские экраны и ставшие основой для ЖК-индустрии весом во многие миллиарды долларов, оказывается, имеют в закромах еще одно удивительное свойство, которое способно в очередной раз поразить мир. Об этом в новом номере журнала Nature рассказывает команда исследователей из Университета Висконсин-Мэдисон, возглавляемая профессором прикладной химии и биологии Хуаном де Пабло.

Проведя компьютерное моделирование процессов, протекающих в этих структурах в наномасштабе, они обнаружили их неожиданную способность понуждать молекулы, с которыми они взаимодействуют, к самоорганизации, то есть к созданию новых кристаллических форм.

Это, в свою очередь, может привести к появлению совершенно новых классов материалов с совершенно необычными свойствами.

Жидкие кристаллы и сами по себе настолько необычны, что после их открытия в конце позапрошлого века в них долго не могли поверить, а поверив, долго не могли найти им нужного применения. В этом смысле их можно приравнять к пороху и бумажным деньгам: будучи в незапамятные времена изобретены в Китае, они, как известно, веками «лежали на полке» — никто и не задумывался использовать их для ведения войн и товарно-денежного обмена.

Как следует из названия, жидкие кристаллы — это кристаллические, а точнее, упорядоченные структуры, обладающие текучестью. Собственно, это вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой или дискообразной формы. Меняя ориентацию этих молекул с помощью, например, электрического поля, можно менять свойства ЖК, в том числе их цвет.

Команда де Пабло решила посмотреть, что происходит с жидкими кристаллами в наномасштабе при изменении температуры, используя компьютерное моделирование, которое сегодня, похоже, становится для множества наук одним из самых используемых методов исследования.

С помощью компьютера ученые проследили поведение тысяч молекулярных стерженьков жидкого кристалла, упакованных в нанокапельки, при изменении температуры. Как и следовало ожидать, при повышенных температурах эти капельки расположены беспорядочно и жидкокристаллических свойств не демонстрируют. При охлаждении они начинают взаимодействовать, входя в жидкокристаллическую фазу, но при этом начинают проявлять свойство, которого никто никогда от них не ожидал: эти капельки начинают взаимодействовать с находящимися между ними молекулами воды и другими так называемыми сурфактантами (поверхностно-активными агентами), заставляя их самоорганизовываться в упорядоченные нанодомены.

Образно говоря, кристалл порождает кристалл, чего никто не ожидал.

По словам де Пабло, это новое и неожиданное свойство может иметь массу очень интересных практических применений. «Теперь можно подумать о том, как формировать эти упорядоченные нанофазы, как управлять ими, меняя размер капель или концентрацию сурфактантов, выстраивать новые структуры и новые классы материалов», — говорит ученый.

Например, предлагает де Пабло, можно добавлять к сурфактантам ДНК, и тогда ДНК оставит в новой структуре, в этой новой «упорядоченной нанофазе», свой «отпечаток». Это, по его словам, может стать основой для обнаружения и идентификации определенных токсинов, биомолекул или вирусов. Вирус или белок, попав в такую структуру, изменит порядок формирования промежуточных «нанофаз», изменит свойства нового материала, и тот, в свою очередь, даст об этом знать оптическим сигналом, то есть засветившись.

Такая технология будет очень полезна для систем биобезопасности, здравоохранения и биологических исследований вообще.

Такое биологическое применение своим новым структурам де Пабло предложил неслучайно. Еще в 2006 году его команда разработала метод наблюдения за эволюцией стволовых клеток с помощью жидких кристаллов, который тогда широко обсуждался в прессе. Там тоже шла речь о жидкокристаллических нанокаплях и взаимодействии их поверхностей с биологическими структурами, конкретно со стволовыми клетками. Эволюционируя, эти стволовые клетки меняли свойства жидкого кристалла и его цвет. Метод был основан на хорошо известном тогда влиянии сурфактантов на жидкий кристалл. Теперь же выяснилось, что возможно и обратное — влияние жидкого кристалла на сурфактанты. И с куда более богатыми перспективами.