Los cristales líquidos están a nuestro alrededor, desde las pantallas de los teléfonos móviles y las consolas de videojuegos hasta los salpicaderos de los coches y los dispositivos médicos. Se pasa una corriente eléctrica a través de una pantalla de cristal líquido (LCD) y se produce color, gracias a las propiedades únicas de estos líquidos: su forma se reorganiza y reflejan diferentes longitudes de onda de luz.
Como señala el laboratorio de Chinedum Osuji, Eduardo D. Gland, profesor presidencial y catedrático de Ingeniería Química y Biomolecular, descubrió recientemente que estas fascinantes moléculas pueden hacer más. En las condiciones adecuadas, los cristales líquidos se condensan en estructuras asombrosas, formando espontáneamente filamentos y discos aplanados que pueden transportar materiales de un lugar a otro, como sistemas biológicos complejos.
Los conocimientos podrían conducir a materiales autoensamblados, nuevas formas de modelar la actividad celular y más. “Es como una red de cintas transportadoras”, dice Christopher Brown, investigador postdoctoral en el laboratorio de Osuji y coautor principal de un artículo reciente. Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS) que describe los hallazgos. “Fue una observación casual de algo que en la superficie parecía muy realista; fue una señal temprana de que podría ser algo más común y más interesante”.
Brown y Osuji ahora son parte de un grupo interdisciplinario apoyado por NSF en el Laboratorio de Investigación sobre la Estructura de la Materia (LRSM) dirigido por Matthew Goode, profesor asociado de biología celular y del desarrollo en la Facultad de Medicina Perelman, y Elizabeth Rhodes, profesora . de Química dentro de la Facultad de Artes y Ciencias, que estudia la formación de materia condensada en sistemas biológicos y no biológicos.
Originalmente, el laboratorio de Osuji se asoció con ExxonMobil para investigar la brea mesofásica, una sustancia utilizada en el desarrollo de fibras de carbono de alta resistencia, como las que se encuentran en los autos de Fórmula 1 y las raquetas de tenis de alta gama. “Estos materiales son cristales líquidos”, dijo Osuji, el precursor químico de la fibra de carbono. “O mejor dicho, son cristales líquidos durante parte de su existencia durante el procesamiento”. Mientras experimentaba con el condensado a diferentes temperaturas, Yuma Morimitsu, otro becario postdoctoral en el laboratorio de Osuji y otro coautor del artículo, notó un comportamiento inusual en el material.
Generalmente, si combinas dos líquidos inmiscibles (es decir, inmiscibles) y luego los calientas a una temperatura lo suficientemente alta como para forzarlos a mezclarse, si enfrías la mezcla, se separará o “desmezclará” en algún momento. Por lo general, esto ocurre mediante la formación de gotas que se fusionan para formar una capa separada, de manera similar a si combinas aceite y agua, terminas con una capa de aceite encima del agua.
En este caso, el cristal líquido, 4′-ciano 4-dodeciloxibifenilo, también conocido como 12OCB, forma espontáneamente estructuras muy irregulares cuando se separa del escualano, un aceite incoloro. “En lugar de formar una gota”, dice Osuji, “cuando separas esta fase entre el cristal líquido y otros componentes del sistema, creas estructuras en cascada, las primeras de las cuales son estos filamentos, que crecen rápidamente y luego forman otro conjunto de estructuras, lo que llamamos discos abultados o gotas planas”.
Para comprender el sistema, los investigadores utilizaron potentes microscopios para observar el movimiento de los cristales líquidos en la escala micrométrica, es decir, millonésimas de metro, comparable al ancho de un cabello humano. “La primera vez que observamos estas estructuras, las vimos a velocidades de enfriamiento demasiado altas”, recuerda Osuji, lo que provocó que los cristales líquidos se fusionaran. Sólo al reducir la velocidad de enfriamiento y ampliar aún más el zoom, los investigadores se dieron cuenta de que los cristales líquidos estaban formando espontáneamente estructuras que recuerdan a los sistemas biológicos.
Curiosamente, descubrió Brown, muchos investigadores estuvieron a punto de observar un comportamiento similar hace décadas, pero estudiaron sistemas donde el comportamiento no era particularmente pronunciado o carecían de una microscopía lo suficientemente potente como para visualizar lo que realmente estaba sucediendo.
Para Brown, lo más interesante del resultado es que reúne varios campos tradicionalmente dispares: el mundo de la investigación de materiales activos, que se centra en los sistemas biológicos que transportan materiales y producen movimiento, y el campo del autoensamblaje y el comportamiento de fases. que estudia haciendo Materiales que por sí mismos forman nuevas estructuras y se comportan de manera diferente al cambiar de fase. “Éste es un nuevo tipo de sistema de sustancias activas”, afirmó Brown.
Él y Osuji también señalan la posibilidad de utilizar los hallazgos para simular sistemas biológicos, ya sea para comprender mejor cómo funcionan o para construir materiales. “Las moléculas se absorben en el filamento y luego se transportan continuamente hacia esas gotas planas”, dice Osuji, “aunque con sólo mirar el sistema no se puede discernir ninguna actividad obvia”. De hecho, las gotas planas pueden actuar como pequeños reactores, agitando moléculas que los filamentos transportan a otras gotas para su almacenamiento o actividad química adicional.
Los investigadores también sugieren que sus hallazgos podrían revitalizar la investigación sobre cristales líquidos. “Cuando se industrializa un campo, a menudo la investigación básica se detiene. Pero a veces hay enigmas de larga data que nadie puede resolver”, dijo Brown.
La investigación se llevó a cabo en la Universidad de Pensilvania, el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas y el Departamento de Física y Astronomía de la Facultad de Artes y Ciencias, y el departamento de investigación de ExxonMobil. El trabajo fue apoyado por subvenciones de ExxonMobil y la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (DMR-2309043).
Otros coautores incluyen a Zhe Liu de Penn Engineering; Paul G. Severino de la Escuela de Artes y Ciencias; y Manesh Gopinadhan, Eric B. Sirota, Ozkan Altintas y Kazem V de ExxonMobil. Edmundo.