Os cristais líquidos "vivos" combinam as propriedades dos cristais líquidos feitos pelo homem com as características das bactérias natatórias. Os cientistas construíram um modelo preciso de como os cristais controlam o movimento, transporte e posição das bactérias natatórias. O modelo também pode simular como outras partículas se comportam no cristal vivo. Agora, os cientistas podem combinar o modelo com a síntese sob demanda e a capacidade de orientar os defeitos que direcionam as bactérias ou partículas. O resultado? Este trabalho pode levar a materiais de autocura e que mudam de forma. Os materiais podem gerenciar processos complexos, como a produção de energia.

Essa descoberta pode levar ao design e à síntese de novos materiais de autocura, controlando defeitos em cristais vivos. Também, este trabalho estende as ferramentas necessárias para, um dia, criar "máquinas" autorreguladas. Essas máquinas podem adaptar componentes existentes para diferentes fins, conforme necessário, ou responder ao estresse sem parar. Finalmente, este trabalho adiciona ao conhecimento dos cientistas de sistemas fora de equilíbrio, que estão envolvidos em tudo, desde a geração de energia até a limpeza do local de resíduos.

Bandos de pássaros, cardumes de peixes e misturas de fluidos autopropulsores que se organizam e se movem cooperativamente em resposta a estímulos internos ou externos são considerados matéria ativa. Uma nova classe de matéria ativa, conhecidos como cristais líquidos "vivos", unir as propriedades de materiais inanimados e vivos combinando nadadores de bactérias e cristais líquidos não tóxicos. Defeitos topológicos nesses cristais desempenham um papel crítico. Os defeitos direcionam como os cristais são montados e como as bactérias são transportadas. Gerenciar a aparência e a localização desses defeitos fornece uma alavanca útil para manipular componentes e propriedades.

Cientistas do Laboratório Nacional de Argonne descobriram um novo conceito para transportar e capturar bactérias microscópicas ou nadadores feitos pelo homem em um cristal líquido. Eles desenvolveram um modelo computacional que reproduz com precisão observações experimentais da dinâmica de defeitos topológicos no cristal líquido. O modelo também prevê o acúmulo ou expulsão de nadadores dos núcleos de diferentes defeitos topológicos. Bactérias fluorescentes foram suspensas em um cristal líquido à base de água. Semelhante ao tráfego de carros em rodovias, as bactérias nadaram ao longo de certas direções paralelas à orientação das moléculas de cristal líquido. Defeitos topológicos nos cristais líquidos serviram efetivamente como entroncamentos rodoviários ao longo dessas rodovias, guiando e concentrando ou repelindo os nadadores. Diretamente relacionado à topologia no núcleo do defeito, as bactérias se acumularam perto de defeitos em forma de T, onde as linhas de corrente orientadas por cristal líquido (ou "rodovias") e as trajetórias dos nadadores convergem. Para defeitos em forma de Y, as linhas aerodinâmicas são organizadas de modo que os nadadores se afastem do núcleo por conta própria ou sejam desviados para longe do núcleo completamente. O acúmulo e o esgotamento de nadadores nos núcleos alteram significativamente a dinâmica do defeito. Mais importante, o modelo correlaciona com precisão a reconfiguração das linhas aerodinâmicas de cristal líquido e orientações de defeitos topológicos juntamente com mudanças na população de defeitos relacionadas à concentração de nadadores.