Les matériaux capables de remplir des fonctions complexes en réponse aux changements de l'environnement pourraient constituer la base de nouvelles technologies passionnantes. Pensez à une capsule implantée dans votre corps qui libère automatiquement des anticorps en réponse à un virus, une surface qui libère un agent antibactérien lorsqu'elle est exposée à des bactéries dangereuses, un matériau qui adapte sa forme lorsqu'il doit supporter un poids particulier, ou des vêtements qui détectent et capturent les contaminants toxiques dans l'air.

Les scientifiques et les ingénieurs ont déjà fait le premier pas vers ces types de matériaux autonomes en développant des matériaux « actifs » qui ont la capacité de se déplacer par eux-mêmes. Maintenant, Des chercheurs de l'Université de Chicago ont franchi une nouvelle étape en montrant que le mouvement d'un de ces matériaux actifs, les cristaux liquides, peut être maîtrisé et dirigé.

Cette recherche de preuve de concept, publié le 18 février dans la revue Matériaux naturels , est le résultat de trois années de travail collaboratif des groupes de Profs. Juan de Pablo et Margaret Gardel à la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago, avec Vincenzo Vitelli, professeur de physique, et Aaron Dîner, professeur de chimie.

Exploiter les propriétés des cristaux liquides

Contrairement aux liquides traditionnels, les cristaux liquides présentent un ordre moléculaire et une orientation uniformes qui offrent un potentiel en tant que blocs de construction pour des matériaux autonomes. Les défauts dans les cristaux sont essentiellement de minuscules capsules qui pourraient servir de sites pour des réactions chimiques ou de navires de transport pour la cargaison dans un dispositif en forme de circuit.

Créer des matériaux autonomes utilisables dans les technologies, les scientifiques devaient trouver un moyen de faire en sorte que ces matériaux autopropulsent leurs défauts tout en contrôlant la direction du mouvement.

Pour fabriquer des cristaux liquides "actifs", les chercheurs ont utilisé des filaments d'actine, les mêmes filaments qui constituent le cytosquelette d'une cellule. Ils ont également ajouté des protéines motrices, qui sont les protéines que les systèmes biologiques utilisent pour exercer une force dans les filaments d'actine. Ces protéines « marchent » essentiellement le long des filaments, faisant bouger les cristaux.

Dans ce cas, en collaboration avec le groupe du Prof. Zev Bryant à l'Université de Stanford, les chercheurs ont développé des cristaux liquides actifs alimentés par des protéines photosensibles, dont l'activité augmente lorsqu'elle est exposée à la lumière.

À l'aide de simulations informatiques avancées de modèles développés par de Pablo avec les stagiaires postdoctoraux Rui Zhang et Ali Mozaffari, les chercheurs ont prédit qu'ils pourraient créer des défauts et les manipuler en créant des modèles locaux d'activité dans un cristal liquide.

Des expériences menées par Gardel et les boursiers postdoctoraux Steven Redford et Nitin Kumar ont confirmé ces prédictions. Spécifiquement, en projetant un laser sur différentes régions, les chercheurs ont rendu ces régions plus ou moins actives, contrôlant ainsi le flux du défaut.

Ils ont ensuite montré comment cela pouvait être utilisé pour créer un dispositif microfluidique, un outil que les chercheurs en ingénierie, chimie, et la biologie utilisent pour analyser de petites quantités de liquides.

Habituellement, ces dispositifs comprennent de minuscules chambres, tunnels et vannes; avec un matériau comme celui-ci, les fluides pourraient être transportés de manière autonome sans pompes ni pression, ouvrant la porte à la programmation de comportements complexes dans des systèmes actifs.

Les découvertes présentées dans le manuscrit sont importantes car, jusqu'à maintenant, une grande partie de la recherche sur les cristaux liquides actifs s'est concentrée sur la caractérisation de leur comportement.

« Dans ce travail, nous avons montré comment maîtriser ces matériaux, qui pourrait ouvrir la voie à des candidatures, " a déclaré de Pablo. "Nous avons maintenant un exemple où la propulsion au niveau moléculaire a été exploitée pour contrôler le mouvement et le transport à des échelles macroscopiques."

Création de nouveaux appareils à partir du matériel

Cette preuve de concept montre qu'un système de cristaux liquides pourrait à terme servir de capteur ou d'amplificateur réagissant à l'environnement. Prochain, les chercheurs espèrent démontrer comment construire les éléments nécessaires pour transformer ce système en un circuit capable d'effectuer des opérations logiques de la même manière que les ordinateurs le font.

"Nous savions que ces matières actives étaient belles et intéressantes, mais maintenant nous savons comment les manipuler et les utiliser pour des applications intéressantes, " a dit de Pablo. " C'est très excitant. "