由布兰迪斯大学领导的一个国际研究小组在活性物质物理学领域取得了重大突破，正如本周发表在《物理评论x》上的一项研究所详细介绍的那样。这项开创性的研究通过将3D活性向列液晶捕获在细胞大小的球形液滴中，首次实验验证了一个关键的理论预测。
向列液晶是由沿同一方向排列的细长分子组成的，它已经彻底改变了现代技术，特别是在智能手机和电脑屏幕上使用的液晶显示器(lcd)中。控制这些材料中分子的方向，使我们每天所依赖的生动的显示成为可能。
在主动向列液晶中，分子消耗能量来推动自己。这些活性材料表现出动态的、类似生命的行为，如自发变形和流动，没有任何外力。活性向列体的例子包括细菌生物膜、癌细胞，甚至是振动板上的米粒。
以往的实验研究表明，三维主动向列线往往表现为混沌动力学。然而，一个重要的活性物质理论预测，当能级较低或约束较强时，这些物质应该停止移动。新的研究表明，将这些材料限制在细胞大小的液滴中确实可以阻止它们混乱的自搅拌运动。
“这一刻让人想起了LCD技术的早期，”该研究的主要作者萨尔曼·阿拉姆博士说。“我们已经成功地控制和稳定了将化学能转化为运动的活性液晶，类似于我们自己的细胞的运作方式。这种对主动混沌的控制对于这些材料未来的工程应用至关重要。”
研究小组将微管束(对细胞分裂至关重要的生物聚合物)与马达蛋白和油混合在一起，制成乳剂，这是一种活性的类似于油醋汁中发现的油水混合物的物质。
布兰代斯大学的物理学助理教授兼通讯作者纪尧姆·杜克洛博士解释说:“将这些材料限制在细胞状液滴中是一个改变游戏规则的方法。”“多年来，我们的团队一直在寻求测试活性物质理论的这一基本预测。将理论与实验结果如此无缝地结合起来确实是非同寻常的。”
事实证明，国际合作对这项研究的成功至关重要。Abhinav Singh博士隶属于Technische Universit?t Dresden，马克斯普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所以及Dresden系统生物学中心，他领导了理论工作和模拟。
“我们的理论预测与实验结果的一致性是显著的，”辛格博士指出。“它证实了活性物质的基本行为，可以促进我们对生命系统的理解，并为新的纳米技术创新打开大门。”
这项研究对于理解各种生物过程具有重要意义，从组织中的细胞排列到细胞分裂过程中的有丝分裂纺锤体组织。
“除了证实一个理论之外，这项研究还为材料科学和软机器人技术的进步铺平了道路，”布兰代斯大学理论物理学教授、布兰代斯生物启发材料研究科学与工程中心(MRSEC)主任、这项研究的合著者阿帕纳·巴斯卡兰(Aparna Baskaran)说。“我们正在扩大对生命规律的理解，并模糊了物质与生命之间的界限。”
控制活性生物聚合物的能力可能会导致人工细胞、自愈材料和生物医学应用的进步。例如，这项研究可以帮助了解如何防止转移性癌细胞或细菌生物膜的不受控制的扩散，这是活性向列体的两个很好的特征例子。
随着活性物质物理学领域标志着这一里程碑，研究人员已经在探索未来的应用。Duclos博士总结道:“我们正处于生物学、物理学和工程学交叉的材料科学新时代的边缘。”“我们的工作旨在通过赋予具有生命特性的建筑材料来催化活性物质研究和应用的创新。”
