盡管許多科學(xué)成就來自長(zhǎng)期的精心計(jì)劃，但研究人員偶爾會(huì)偶然發(fā)現(xiàn)完全出乎意料的事物。研究生魏偉韶說：“一開始，我們一直在尋求創(chuàng)造一種特殊的效果。” “然后，我們觀察到一些奇怪的東西。”

《自然》雜志上的一項(xiàng)新研究通過顯示當(dāng)溫度下降時(shí)含有鏈狀液晶分子的液滴如何轉(zhuǎn)變成復(fù)雜的形狀來詳細(xì)描述這一“怪異”的發(fā)現(xiàn)。由研究生Sophie Ettinger博士Wei主持。明礬夏霞，舒陽和Arjun Yodh的發(fā)現(xiàn)為人們提供了關(guān)于分子多分散性(液晶分子的長(zhǎng)度差異很大的條件)如何驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的液滴轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌螤畹男抡J(rèn)識(shí)。

液晶由稱為介晶的棒狀或盤狀分子組成，由于這些介晶的排列，液晶在固體和液體的物理性質(zhì)之間顯示出顯著的物理性質(zhì)。本研究中使用的液晶與LCD屏幕使用的液晶具有相似的特性，但由低聚物，柔性的短鏈聚合物(由較小的棒狀分子構(gòu)件組成)制成。

Wei的最初目標(biāo)是使用Yang實(shí)驗(yàn)室中的這種液晶來制造Janus液滴，該液滴在液滴的相對(duì)兩側(cè)包含兩種不同類型的材料-在這種情況下，其中一半將是一個(gè)橡膠狀網(wǎng)絡(luò)，稱為液晶彈性體，通過交聯(lián)將液晶分子“鎖定”在適當(dāng)位置而制成，另一半是硅樹脂。

魏很快發(fā)現(xiàn)液滴反而轉(zhuǎn)變成奇怪的絲狀結(jié)構(gòu)。最初，研究人員認(rèn)為他們所看到的是實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤，但是由于結(jié)果是可重復(fù)的，因此他們意識(shí)到這是他們應(yīng)該嘗試?yán)斫獾男率挛铩?/p>

尤德說：“這是一種視覺上的壯觀效果。我根本沒想到。” “我們?cè)噲D使設(shè)計(jì)師掉線，但在此過程中，我們看到了一些有趣且與眾不同的東西。”

研究人員對(duì)他們的奇怪結(jié)果感到驚訝和困惑，他們開始進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)查，以解釋他們所看到的。在Yang實(shí)驗(yàn)室的幫助下，Wei研究了包含不同長(zhǎng)度液晶元的液晶低聚物混合物的液滴。研究人員改變了低聚物的鏈長(zhǎng)，使用了不同的表面活性劑將液滴保持在一起，并探索了簡(jiǎn)單的理論模型以理清他們的發(fā)現(xiàn)。

研究人員開發(fā)的模型的基本特征是，液滴的結(jié)構(gòu)由兩個(gè)力驅(qū)動(dòng)：表面張力，流體表面收縮到可能的最小區(qū)域的趨勢(shì)以及彈性能，其中一個(gè)例子是存儲(chǔ)的機(jī)械能在諸如彈簧床或弓箭手之類的可彎曲物體中。為了使表面能最小，液晶滴通常形成一個(gè)球，其形狀具有最小的體積比。但是，在液滴內(nèi)部，單個(gè)桿既要垂直于球體的表面，又要與其他桿平行。

在高溫(?90 C /?194 F)下，這些相反的力在起作用，液晶滴呈球形，并具有經(jīng)典的“徑向刺猬”內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中所有桿都指向中心，這種配置需要彈性能量才能形成。然后，當(dāng)溫度降低時(shí)，表面張力和彈性能發(fā)生變化，并且液滴的形狀和液滴內(nèi)部的棒的排列都發(fā)生變化，從而使總的能量成本最小化。

偶然地，所產(chǎn)生的液滴結(jié)構(gòu)形成了驚人的復(fù)雜形狀陣列，從類似于微觀菊花的“花”到纏結(jié)纖維的龐大“美杜莎”網(wǎng)絡(luò)。效果也是可逆的，液滴可以從球體到纏結(jié)的網(wǎng)絡(luò)，然后又返回。

除了引人注目的新液滴形態(tài)外，這項(xiàng)工作的令人驚訝的發(fā)現(xiàn)之一是，這種奇怪現(xiàn)象的關(guān)鍵在于液滴中既有長(zhǎng)鏈棒也有短鏈棒-從科學(xué)的角度來說，液晶系統(tǒng)具有多分散性。

當(dāng)棒狀介晶的長(zhǎng)度相似時(shí)，看不到任何奇怪的影響，但是如果它們的長(zhǎng)度不同，則棒會(huì)根據(jù)其長(zhǎng)度移動(dòng)到液滴內(nèi)部的不同位置。由較小鏈條制成的桿優(yōu)先移動(dòng)到彈性能量較大的位置，靠近液滴的中心，而由較大鏈條制成的桿移動(dòng)到表面。

Yodh解釋說：“通常，當(dāng)樣品中包含大小，長(zhǎng)度，甚至成分不同的成分的混合物時(shí)，就會(huì)抹去或完全防止相變或自組裝事件發(fā)生，但是，混合物中的多分散性有助于之所以會(huì)產(chǎn)生這種效果，是因?yàn)椴煌L(zhǎng)度的鏈可以移動(dòng)到液滴的不同部分。對(duì)于同質(zhì)的單分散系統(tǒng)，這不會(huì)發(fā)生。”

盡管仍然存在許多問題，例如為什么液滴會(huì)以奇怪的方式分叉，從而使材料看起來還很活潑，但研究人員希望利用這些見解來探索新的應(yīng)用和概念。

Yodh說：“我們決定使用這些特定的液晶低聚物的原因是，我們可以將它們交聯(lián)并制成彈性體。”他補(bǔ)充說，可以使用這些和其他類似種類的鏈狀液晶分子來制造新型軟材料，例如可驅(qū)動(dòng)的纖維，它們可以響應(yīng)溫度或濕度而移動(dòng)和改變形狀。

研究人員還考慮了其??他現(xiàn)象，其中多分散性在驅(qū)動(dòng)材料的組裝以及塑造其結(jié)構(gòu)和功能方面發(fā)揮著作用。生物學(xué)中的分子異質(zhì)性可能與研究人員在多分散鏈狀液晶分子中的發(fā)現(xiàn)有關(guān)，并且可能會(huì)促進(jìn)基于生命世界中已經(jīng)存在的物質(zhì)合成和圖案化材料的方法-自然界中發(fā)現(xiàn)的許多聚合物，例如天然橡膠，木質(zhì)纖維素和絲綢本身就是多分散的。

楊說：“總的來說，科學(xué)家傾向于控制事物-您想要控制以便了解它，因此我們通常嘗試制造和使用單分散系統(tǒng)。” “但是在生物學(xué)中，原始材料有時(shí)是具有不同鏈長(zhǎng)和不同功能的分子的混合物：它們可以具有不同的剛度，疏水性或親水性，這就是為什么它如此難以理解。”

研究人員希望通過結(jié)合材料科學(xué)和工程學(xué)與物理學(xué)的努力，以“ MRSEC精神”的協(xié)作進(jìn)行的這項(xiàng)研究將鼓勵(lì)其他人看到多分散性的新含義和可能的好處。

Yodh補(bǔ)充說：“這項(xiàng)工作很有趣。” “從一開始就感到驚訝是很有趣的，然后試圖理解這么長(zhǎng)時(shí)間卻很沮喪。回首它很有趣。聚合物的無序性使事情有所不同。”