ฝูงนก ฝูงปลา และฝูงแมลงล้วนเป็นตัวอย่างของ “สสารเคลื่อนไหว” ซึ่งเป็นระบบของอนุภาคที่เคลื่อนที่ได้ด้วยตัวเองโดยไม่ต้องอาศัยแรงจากภายนอก นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามที่จะทำซ้ำพฤติกรรมดังกล่าวในห้องปฏิบัติการมานานแล้ว โดยมีเป้าหมายในการผลิตวัสดุสังเคราะห์ที่เลียนแบบการทำงานทางชีวภาพ เช่น การรักษาตัวเองหรือการเคลื่อนที่และการแบ่งตัวของเซลล์
ทีมนักวิจัยในแคลิฟอร์เนีย สหรัฐอเมริกา
ได้เข้าใกล้เป้าหมายนี้มากขึ้นโดยได้มุมมองสามมิติที่มีรายละเอียดเป็นครั้งแรกของสารออกฤทธิ์ประเภทหนึ่งที่เรียกว่าผลึกเหลวนีมาติก
ทีมงานได้ทำการสังเกตการณ์โดยใช้เทคนิคที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบแผ่นแสง ซึ่งเดิมพัฒนาขึ้นเพื่อให้เห็นภาพว่าสิ่งมีชีวิตได้รับรูปร่างและสถาปัตยกรรมของพวกมันอย่างไร ตามที่หัวหน้าทีมZvonimir Dogicแห่งมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาบาร์บาราข้อสังเกตเหล่านี้แสดงถึงก้าวแรกสู่การประยุกต์ใช้คริสตัลแอคทีฟในโลกแห่งความเป็นจริง เนื่องจากการศึกษาก่อนหน้านี้ส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่ระบบสองมิติที่ง่ายกว่า
สภาวะไม่สมดุล
ผลึกเหลว Nematic ได้ชื่อมาจากคำภาษากรีกnema ซึ่งหมายถึง “ด้าย” – การอ้างอิงถึงข้อบกพร่องของทอพอโลยีที่มีลักษณะเฉพาะ ข้อบกพร่องเหล่านี้เรียกว่าเส้นแบ่งแยก และสามารถทำจากโมเลกุลที่ยืดออกหรืออนุภาคคอลลอยด์ ภายในพื้นที่ที่กำหนด โดยเฉลี่ยแล้วพวกเขาจะชี้ไปในทิศทางเดียวกัน ตามแนวแกนพิเศษที่แปลเป็นภาษาท้องถิ่นซึ่งเรียกว่าผู้อำนวยการ
ในสภาวะปกติ แบบพาสซีฟ nematics ที่เรียงตัวเป็นเนื้อเดียวกันนั้นดีกว่าการเสียรูปที่ทำให้วัสดุโค้งงอ อย่างไรก็ตาม ใน nematics แบบแอคทีฟ สถานการณ์จะแตกต่างกัน เนื่องจากส่วนประกอบที่ทำงานอยู่จะให้พลังงานแก่ไมโครสเกลทั่วทั้งโครงสร้าง พลังงานนี้ขับเคลื่อนความเครียดภายในที่บิดเบือนของไหล ส่งผลให้แม้แต่การเสียรูปที่เล็กที่สุดก็สามารถขยายออกได้แบบทวีคูณ
สภาวะที่ไม่สมดุลนี้ไม่สามารถอธิบาย
ได้ในกรอบของอุณหพลศาสตร์ทั่วไป และทำให้เกิดกระแสที่ปั่นป่วนที่ไม่มั่นคงและแอคทีฟในกลุ่มของวัสดุ ตรงกันข้ามกับความปั่นป่วนในของไหลปกติ การไหลที่โกลาหลใน nematics ที่ใช้งานอยู่ไม่มีรูปแบบปกติ และสามารถก่อให้เกิดการเคลื่อนไหวที่สอดคล้องกันในวงกว้าง ทำให้เกิดโครงสร้างที่เกิดขึ้น เช่น ขอบเขตเฟสและข้อบกพร่องเชิงทอพอโลยี ซึ่งระเบียบท้องถิ่นได้ถูกทำลายลง
ความไม่เสถียรในการดัดและการไหลจำนวนมาก
ในงานใหม่ของพวกเขา Dogic และเพื่อนร่วมงานของเขา พร้อมด้วยทีมงานที่นำโดยDaniel BellerจากUniversity of California, Mercedได้สร้างของเหลวนีมาติกจากอนุภาคไวรัสแบคทีเรีย แท่งแข็งของไวรัสทำให้เกิดเฟสผลึกเหลวแบบนีมาติกที่อุณหภูมิห้อง
จากการทำงานก่อนหน้านี้ในห้องทดลองของ Dogicทีมงานได้แยกส่วนประกอบพื้นฐานสองส่วนของเซลล์ชีวภาพ – microtubules และ kinesin motors – เข้าสู่เฟส nematic เพื่อสร้างสารออกฤทธิ์ ไมโครทูบูลเป็นเส้นใยของชุดโปรตีนกึ่งยืดหยุ่นที่ยาว ขณะที่คีเนซินเป็นโปรตีนที่สามารถแปลงพลังงานเคมี (ในรูปของอะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต หรือ ATP) เป็นพลังงานกล
เมื่อเติมเชื้อเพลิงด้วย ATP มอเตอร์ระดับโมเลกุลจะยืดมัดไมโครทูบูล ซึ่งทำให้เกิดความเครียดเชิงรุกซึ่งทำให้เกิดความไม่เสถียรในการดัดงอและการไหลจำนวนมากทั่วทั้งตัวอย่าง ซึ่งรวมถึงเฟสนีมาติก
ติดตามการเคลื่อนไหวของข้อบกพร่องในเวลาจริง
เพื่อศึกษาพฤติกรรมนี้ ทีมงานจึงหันมาใช้กล้องจุลทรรศน์แบบแผ่นแสง ในเทคนิคนี้ ใช้แผ่นแสงบางไมครอนเพื่อสร้างภาพตัวอย่างโมเลกุลที่ติดฉลากด้วยเครื่องหมายเรืองแสง โดยการสแกนแผ่นอย่างรวดเร็วตามแนวแกน z ของตัวอย่าง นักวิจัยสามารถถ่ายภาพผลึกนีมาติกที่แอคทีฟด้วยความละเอียดระดับโมเลกุลและติดตามการเคลื่อนไหวของข้อบกพร่องแบบเรียลไทม์ แนวทางนี้ให้การวัดเชิงปริมาณของเขตผู้อำนวยการท้องถิ่นสำหรับปริมาณ 3 มิติทั้งหมดของวัสดุที่ใช้งานอยู่
อ่านเพิ่มเติมคริสตัลเหลวเฟสสีน้ำเงินที่มองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบออปติคัล
ความลับของหมอกสีฟ้า
นักวิจัยพบว่า nematics ของพวกมันมีทั้งเส้นแบ่งและลูป รวมถึงวัตถุคล้ายแถบโมบิอุสที่สามารถนิวคลีเอต หด เปิด และรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างโครงสร้างที่ขยายในเชิงพื้นที่ การกีดกันเหล่านี้ถือได้ว่าเป็นห่วงคล้ายยางรัดซึ่งถูกดึงและยืดออกอย่างต่อเนื่องโดยแรงภายใน
เพื่อทำความเข้าใจว่าไดนามิกของลูปเหล่านี้ขึ้นอยู่กับโครงสร้างทอพอโลยีในท้องถิ่นของวัสดุอย่างไร Dogic กล่าวว่าเขาและเพื่อนร่วมงานจะต้องพัฒนาเทคนิคการสร้างภาพด้วยความละเอียดชั่วคราวที่ได้รับการปรับปรุง และวิธีการใหม่ในการแยกลูปเดี่ยว “เรายังต้องการทราบรายละเอียดว่าวงจรที่แยกออกมาปรากฏในวัสดุที่มีการจัดตำแหน่งอย่างสมบูรณ์แบบอย่างไร” เขาบอกกับPhysics World
งานใหม่ซึ่งมีรายละเอียดอยู่ในScienceเป็นตัวอย่างที่สำคัญของวิธีการสร้างและศึกษาคริสตัลแอ็คทีฟ 3 มิติ Dogic กล่าวเสริม ในบทความเกี่ยวกับมุมมองที่ เกี่ยวข้อง Dennis Bartoloนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยลียง ประเทศฝรั่งเศสซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในงานนี้ เรียกมันว่า “เวทีทดลองที่น่าเกรงขาม” สำหรับการสังเกตการณ์วัสดุที่ซับซ้อนเหล่านี้ในอนาคต
แม้ว่าจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางที่หนาที่สุด แต่เครื่องหมาย ZrO 2 ที่ เคลือบคาร์บอนทำให้เกิดการรบกวนที่ต่ำกว่า (น้อยกว่า 3% สำหรับพลังงานทั้งหมด) กว่ามาร์กเกอร์สีทอง เนื่องจากมีความหนาแน่นและเลขอะตอมที่ต่ำกว่า การทำเช่นนี้อาจทำให้เครื่องหมาย ZrO 2เป็นตัวเลือกที่ต้องการสำหรับการแนะนำภาพระหว่างการบำบัดด้วยไอออนคาร์บอน แม้ว่าความหนาแน่นที่ต่ำกว่าอาจทำให้มองเห็นได้ยากบนภาพเอ็กซ์เรย์
Credit : saglikpersoneliplatformu.com sanatorylife.com semperfidelismc.com shopcoachfactory.net skyskraperengel.net
