Flüssigkristalle in Bewegung ahmen biologische Systeme nach

Flüssigkristalle sind überall um uns herum, von Handybildschirmen und Videospielkonsolen bis hin zu Armaturenbrettern in Autos und medizinischen Geräten. Wenn man einen elektrischen Strom durch Flüssigkristallanzeigen (LCDs) leitet, erzeugen sie Farben, und zwar dank der einzigartigen Eigenschaften dieser Flüssigkeiten: Sie verändern ihre Form und reflektieren Licht unterschiedlicher Wellenlängen.

Wie das Labor von Chinedum Osuji, Eduardo D. Glandt Presidential Professor und Lehrstuhlinhaber für chemische und biomolekulare Verfahrenstechnik, kürzlich entdeckte, sind diese faszinierenden Moleküle möglicherweise sogar zu mehr fähig. Unter den richtigen Bedingungen kondensieren Flüssigkristalle zu erstaunlichen Strukturen und bilden spontan Filamente und flache Scheiben, die Material von einem Ort zum anderen transportieren können, ganz ähnlich wie komplexe biologische Systeme.

Die Erkenntnisse könnten zu selbstorganisierenden Materialien, neuen Modellen der Zellaktivität und vielem mehr führen. „Es ist wie ein Netzwerk von Förderbändern“, sagt Christopher Browne, Postdoktorand in Osujis Labor und Co-Erstautor eines aktuelles Papier In Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften das den Befund beschreibt.

„Diese zufällige Beobachtung von etwas, das oberflächlich betrachtet sehr lebensecht aussieht, war der erste Hinweis darauf, dass es sich hier um etwas Allgemeineres und Interessanteres handeln könnte.“

Browne und Osuji sind jetzt Teil einer interdisziplinären Gruppe am Laboratory for Research on the Structure of Matter (LRSM) unter der Leitung von Matthew Good, Associate Professor für Zell- und Entwicklungsbiologie an der Perelman School of Medicine, und Elizabeth Rhoades, Professorin für Chemie an der School of Arts & Sciences, die die Kondensatbildung in biologischen und nicht-biologischen Systemen untersucht.

Ursprünglich arbeitete Osujis Labor mit ExxonMobil zusammen, um Mesophasenpech zu untersuchen, eine Substanz, die bei der Entwicklung hochfester Kohlenstofffasern verwendet wird, wie sie in Formel-1-Autos und hochwertigen Tennisschlägern zu finden sind.

„Diese Materialien sind Flüssigkristalle“, sagt Osuji über die chemischen Vorläufer der Kohlenstofffasern selbst. „Oder besser gesagt, sie sind während ihrer Verarbeitung für einen bestimmten Zeitraum flüssigkristallin.“

Beim Experimentieren mit Kondensaten bei unterschiedlichen Temperaturen bemerkte Yuma Morimitsu, ein weiterer Postdoktorand im Osuji-Labor und der andere Co-Erstautor des Artikels, ein ungewöhnliches Verhalten des Materials.

Wenn Sie zwei nicht mischbare Flüssigkeiten kombinieren und dann auf eine Temperatur erhitzen, die hoch genug ist, um sie zu vermischen, und die Mischung anschließend abkühlen, wird sie sich irgendwann trennen oder „entmischen“. Normalerweise geschieht dies durch die Bildung von Tröpfchen, die sich zu einer separaten Schicht verbinden, ähnlich wie wenn Sie Öl und Wasser kombinieren, bei dem sich schließlich eine Ölschicht auf dem Wasser bildet.

In diesem Fall bildete der Flüssigkristall 4′-Cyano-4-dodecyloxybiphenyl, auch bekannt als 12OCB, spontan höchst unregelmäßige Strukturen, als er sich von Squalan, einem farblosen Öl, trennte.

„Anstatt Tropfen zu bilden“, sagt Osuji, „entstehen bei dieser Phasentrennung zwischen dem Flüssigkristall und den anderen Komponenten des Systems kaskadierte Strukturen, von denen die ersten diese Filamente sind, die schnell wachsen und danach einen weiteren Satz von Strukturen bilden – was wir gewölbte Scheiben oder flache Tröpfchen nennen.“

Um das System zu verstehen, verwendeten die Forscher leistungsstarke Mikroskope, um die Bewegung der Flüssigkristalle im Mikrometermaßstab zu beobachten – also im Millionstel eines Meters, vergleichbar mit der Breite eines menschlichen Haares.

„Als wir diese Strukturen zum ersten Mal sahen, beobachteten wir sie bei einer zu hohen Abkühlrate“, erinnert sich Osuji. Das führte dazu, dass die Flüssigkristalle verklumpten. Erst als die Abkühlrate verringert wurde und die Forscher weiter hineinzoomten, erkannten sie, dass die Flüssigkristalle spontan Strukturen bildeten, die an biologische Systeme erinnerten.

Interessanterweise, so Browne, war eine Reihe von Forschern schon vor Jahrzehnten nahe daran, ein ähnliches Verhalten zu beobachten. Dabei untersuchten sie jedoch entweder Systeme, bei denen das Verhalten nicht besonders ausgeprägt war, oder ihnen fehlte die leistungsfähige Mikroskopie, um zu visualisieren, was tatsächlich geschah.

Für Browne liegt die spannendste Konsequenz des Ergebnisses darin, dass es mehrere traditionell getrennte Felder zusammenbringt: die Welt der aktiven Materieforschung, die sich auf biologische Systeme konzentriert, die Material transportieren und Bewegung erzeugen, und die Bereiche der Selbstorganisation und des Phasenverhaltens, die Materialien untersuchen, die von selbst neue Strukturen bilden und sich bei einem Phasenwechsel anders verhalten.

„Dies ist ein neuer Typ eines aktiven Materiesystems“, sagt Browne.

Er und Osuji weisen auch auf die Möglichkeit hin, die Erkenntnisse zu nutzen, um biologische Systeme zu emulieren, entweder um ihre Funktionsweise besser zu verstehen oder um Materialien herzustellen.

„Moleküle werden von den Filamenten absorbiert und dann kontinuierlich in diese flachen Tröpfchen transportiert“, sagt Osuji, „obwohl man beim bloßen Betrachten des Systems keine offensichtliche Aktivität erkennen kann.“

Tatsächlich könnten die flachen Tröpfchen wie kleine Reaktoren funktionieren, die Moleküle produzieren, die die Filamente dann zu anderen Tröpfchen zur Speicherung oder für weitere chemische Aktivitäten transportieren.

Die Forscher meinen auch, dass ihre Entdeckung der Forschung an Flüssigkristallen neuen Schwung verleihen könnte. „Wenn ein Bereich industrialisiert wird“, sagt Browne, „lässt die Grundlagenforschung oft nach. Aber manchmal bleiben auch Rätsel offen, die niemand zu Ende gelöst hat.“