Estenda as mãos à sua frente e, não importa como você as gire, é impossível sobrepor uma à outra. Nossas mãos são um exemplo perfeito de quiralidade – uma configuração geométrica pela qual um objeto não pode ser sobreposto à sua imagem espelhada.



A quiralidade está em toda parte na natureza, desde as nossas mãos até a disposição dos nossos órgãos internos e a estrutura espiral do DNA. Moléculas e materiais quirais têm sido a chave para muitas terapias medicamentosas, dispositivos ópticos e metamateriais funcionais. Até agora, os cientistas presumiram que a quiralidade gera quiralidade – isto é, as estruturas quirais emergem de forças quirais e blocos de construção. Mas essa suposição pode precisar de algum ajuste.

Os engenheiros do MIT descobriram recentemente que a quiralidade também pode surgir em um material totalmente não quiral e por meios não quirais. Em um estudo publicado em 8 de janeiro de 2024, na Nature Communications , a equipe relata ter observado a quiralidade em um cristal líquido – um material que flui como um líquido e tem uma microestrutura não ordenada semelhante a um cristal, como um sólido.

Eles descobriram que quando o fluido flui lentamente, suas microestruturas normalmente não quirais se reúnem espontaneamente em estruturas quirais grandes e retorcidas. O efeito é como se uma correia transportadora de giz de cera, todos alinhados simetricamente, fosse repentinamente reorganizada em grandes padrões espirais quando a correia atinge uma certa velocidade.

A transformação geométrica é inesperada, visto que o cristal líquido é naturalmente não quiral, ou “aquiral”. O estudo da equipe abre assim um novo caminho para a geração de estruturas quirais. Os pesquisadores imaginam que as estruturas, uma vez formadas, poderiam servir como andaimes espirais para montar estruturas moleculares intrincadas. Os cristais líquidos quirais também poderiam ser usados ​​como sensores ópticos, pois sua transformação estrutural mudaria a forma como interagem com a luz.

“Isso é emocionante porque nos dá uma maneira fácil de estruturar esses tipos de fluidos”, diz o coautor do estudo Irmgard Bischofberger, professor associado de engenharia mecânica no MIT. "E a partir de um nível fundamental, esta é uma nova forma pela qual a quiralidade pode emergir."

Os coautores do estudo incluem o autor principal Qing Zhang Ph.D. '22, Weiqiang Wang e Rui Zhang da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hong Kong, e Shuang Zhou da Universidade de Massachusetts em Amherst.

Listras marcantes

Um cristal líquido é uma fase da matéria que incorpora propriedades tanto de um líquido quanto de um sólido. Esses materiais intermediários fluem como líquidos e são estruturados molecularmente como sólidos. Os cristais líquidos são usados ​​como elemento principal nos pixels que compõem os monitores LCD, pois o alinhamento simétrico de suas moléculas pode ser alternado uniformemente com a voltagem para criar coletivamente imagens de alta resolução.

O grupo de Bischofberger no MIT estuda como fluidos e materiais macios formam padrões espontaneamente na natureza e no laboratório. A equipe busca compreender a mecânica subjacente às transformações dos fluidos, que poderiam ser usadas para criar materiais novos e reconfiguráveis.

Em seu novo estudo, os pesquisadores se concentraram em um tipo especial de cristal líquido nemático – um fluido à base de água que contém estruturas moleculares microscópicas em forma de bastonete. As hastes normalmente se alinham na mesma direção em todo o fluido. Zhang ficou inicialmente curioso para saber como o fluido se comportaria sob várias condições de fluxo.

“Tentei esta experiência pela primeira vez em casa, em 2020”, lembra Zhang. "Eu tinha amostras do fluido e um pequeno microscópio, e um dia ajustei-o para um fluxo baixo. Quando voltei, vi um padrão realmente impressionante."

Ela e seus colegas repetiram seus experimentos iniciais no laboratório. Eles fabricaram um canal microfluídico a partir de duas lâminas de vidro, separadas por um espaço muito fino e conectadas a um reservatório principal. A equipe bombeou lentamente amostras do cristal líquido através do reservatório e para o espaço entre as placas, depois obteve imagens microscópicas do fluido enquanto ele fluía.

Tal como nas experiências iniciais de Zhang, a equipa observou uma transformação inesperada:o fluido normalmente uniforme começou a formar listras semelhantes a tigres à medida que se movia lentamente através do canal.

“Foi surpreendente que formasse qualquer estrutura, mas ainda mais surpreendente quando soubemos realmente que tipo de estrutura formava”, diz Bischofberger. "É aí que entra a quiralidade."

Torção e fluxo

A equipe descobriu que as listras do fluido eram inesperadamente quirais, usando várias técnicas ópticas e de modelagem para reconstituir com eficácia o fluxo do fluido. Eles observaram que, quando imóveis, as hastes microscópicas do fluido ficam normalmente alinhadas em uma formação quase perfeita. Quando o fluido é bombeado rapidamente através do canal, as hastes ficam completamente desarrumadas. Mas num fluxo intermediário mais lento, as estruturas começam a se mexer e depois giram progressivamente como pequenas hélices, cada uma girando um pouco mais que a outra.

Se o fluido continuar seu fluxo lento, os cristais retorcidos se agrupam em grandes estruturas espirais que aparecem como listras ao microscópio.

“Existe uma região mágica, onde se você apenas fazê-los fluir suavemente, eles formam grandes estruturas espirais”, diz Zhang.

Os pesquisadores modelaram a dinâmica do fluido e descobriram que os grandes padrões espirais emergiam quando o fluido chegava a um equilíbrio entre duas forças:viscosidade e elasticidade. A viscosidade descreve a facilidade com que um material flui, enquanto a elasticidade é essencialmente a probabilidade de um material se deformar (por exemplo, a facilidade com que as hastes do fluido se mexem e torcem).

“Quando estas duas forças são praticamente iguais, é quando vemos estas estruturas espirais”, explica Bischofberger. "É incrível que estruturas individuais, da ordem de nanômetros, possam se agrupar em estruturas muito maiores, em escala milimétrica, que são muito ordenadas, apenas desequilibrando-as um pouco."

A equipe percebeu que os conjuntos torcidos têm uma geometria quiral:se uma imagem espelhada fosse feita de uma espiral, não seria possível sobrepô-la à original, não importa como as espirais fossem reorganizadas. O fato de as espirais quirais terem surgido de um material não quiral, e através de meios não quirais, é uma novidade e aponta para uma maneira relativamente simples de projetar fluidos estruturados.

“Os resultados são realmente surpreendentes e intrigantes”, diz Giuliano Zanchetta, professor associado da Universidade de Milão, que não esteve envolvido no estudo. "Seria interessante explorar os limites deste fenômeno. Eu veria os padrões quirais relatados como uma forma promissora de modular periodicamente as propriedades ópticas em microescala."

“Agora temos alguns botões para ajustar essa estrutura”, diz Bischofberger. "Isso pode nos dar um novo sensor óptico que interage com a luz de certas maneiras. Também pode ser usado como estrutura para crescer e transportar moléculas para administração de medicamentos. Estamos entusiasmados em explorar todo esse novo espaço de fase."

Mais informações: Qing Zhang et al, Estruturas quirais periódicas induzidas por fluxo em um cristal líquido nemático aquiral, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-43978-6
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.