Las rayas en un cristal líquido que fluye sugieren una ruta hacia los fluidos "quirales"

Extiende las manos frente a ti y no importa cómo las gires, es imposible superponer una sobre la otra. Nuestras manos son un ejemplo perfecto de quiralidad: una configuración geométrica mediante la cual un objeto no puede superponerse a su imagen especular.

La quiralidad está en todas partes de la naturaleza, desde nuestras manos hasta la disposición de nuestros órganos internos y la estructura espiral del ADN. Las moléculas y materiales quirales han sido la clave para muchas terapias farmacológicas, dispositivos ópticos y metamateriales funcionales. Hasta ahora, los científicos han asumido que la quiralidad engendra quiralidad, es decir, que las estructuras quirales surgen de fuerzas quirales y bloques de construcción. Pero tal vez sea necesario reajustar esa suposición.

Los ingenieros del MIT descubrieron recientemente que la quiralidad también puede surgir en un material completamente no quiral y por medios no quirales. En un estudio que aparece en Nature Communications, el equipo informa haber observado quiralidad en un cristal líquido, un material que fluye como un líquido y tiene una microestructura no ordenada, similar a un cristal, como un sólido. Descubrieron que cuando el fluido fluye lentamente, sus microestructuras normalmente no quirales se ensamblan espontáneamente en estructuras quirales grandes y retorcidas. El efecto es como si una cinta transportadora de crayones, todos alineados simétricamente, se reorganizara repentinamente en grandes patrones en espiral una vez que la cinta alcanza una cierta velocidad.

La transformación geométrica es inesperada, dado que el cristal líquido es naturalmente no quiral o "achiral". El estudio del equipo abre así un nuevo camino para generar estructuras quirales. Los investigadores imaginan que las estructuras, una vez formadas, podrían servir como andamios en espiral en los que ensamblar intrincadas estructuras moleculares. Los cristales líquidos quirales también podrían utilizarse como sensores ópticos, ya que su transformación estructural cambiaría la forma en que interactúan con la luz.

"Esto es emocionante, porque nos brinda una manera fácil de estructurar este tipo de fluidos", dice la coautora del estudio Irmgard Bischofberger, profesora asociada de ingeniería mecánica en el MIT. "Y desde un nivel fundamental, esta es una nueva forma en que puede surgir la quiralidad".

Los coautores del estudio incluyen al autor principal Qing Zhang PhD '22, Weiqiang Wang y Rui Zhang de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong, y Shuang Zhou de la Universidad de Massachusetts en Amherst.

Rayas llamativas

Un cristal líquido es una fase de la materia que incorpora propiedades tanto de un líquido como de un sólido. Estos materiales intermedios fluyen como líquidos y están estructurados molecularmente como sólidos. Los cristales líquidos se utilizan como elemento principal en los píxeles que componen las pantallas LCD, ya que la alineación simétrica de sus moléculas se puede cambiar uniformemente con voltaje para crear colectivamente imágenes de alta resolución.

El grupo de Bischofberger en el MIT estudia cómo los fluidos y los materiales blandos forman patrones espontáneamente en la naturaleza y en el laboratorio. El equipo busca comprender la mecánica subyacente a las transformaciones de fluidos, que podrían usarse para crear materiales nuevos y reconfigurables.

En su nuevo estudio, los investigadores se centraron en un tipo especial de cristal líquido nemático: un fluido a base de agua que contiene estructuras moleculares microscópicas en forma de varillas. Las varillas normalmente se alinean en la misma dirección en todo el fluido. Al principio, Zhang tenía curiosidad por saber cómo se comportaría el fluido en diversas condiciones de flujo.

“Probé este experimento por primera vez en casa, en 2020”, recuerda Zhang. “Tenía muestras del fluido y un pequeño microscopio, y un día simplemente lo configuré a un flujo bajo. Cuando regresé, vi este patrón realmente sorprendente”.

Ella y sus colegas repitieron sus experimentos iniciales en el laboratorio. Fabricaron un canal de microfluidos a partir de dos portaobjetos de vidrio, separados por un espacio muy delgado, y conectados a un depósito principal. El equipo bombeó lentamente muestras del cristal líquido a través del depósito y hacia el espacio entre las placas, luego tomó imágenes microscópicas del fluido a medida que fluía.

Al igual que en los experimentos iniciales de Zhang, el equipo observó una transformación inesperada: el fluido normalmente uniforme comenzó a formar rayas parecidas a las de un tigre a medida que avanzaba lentamente a través del canal.

"Fue sorprendente que formara alguna estructura, pero aún más sorprendente una vez que supimos realmente qué tipo de estructura formó", dice Bischofberger. "Ahí es donde entra en juego la quiralidad".