图源:宾夕法尼亚大学

油基的液晶无处不在；因为对液晶性质的深刻理解，我们才有了电脑屏幕，电视以及手机。水基的液晶并没有那么被人们所理解，虽然他们的生物适应性让他们是非常有潜力的生物医疗器械原料。

宾大以及斯沃莫尔学院的物理学家将对这一类型的材料的理解向前推进了一步，他们展示了大家从来没有见过的水基液晶的构型。

这些液晶是非手性的，也就是说他们并不拥有本征左旋或者右旋性，但是当他们被放置在细管中时，他们自组成了一种螺旋结构，这种结构既有左旋性又有右旋性。更进一步的，当两种拥有不同手性的结构在细管中相遇时，一种新的缺陷干扰了原本的液晶晶型。

在显微级别下，杆状分子结构的水基液晶比油基液晶可以更加容易的扭折。这种不寻常的弹性性质是手性螺旋成为可能的重要原因。这与通常的螺旋结构成型的方式有所不同，因为通常组成螺旋结构的单体本身是具有手性的。

这项研究由博士后：JoonwooJeong带领两名研究生，ZoeyDavidson以及LouisKang完成，他们与宾大的ArjunYodh以及TomLubensky以及斯沃斯莫尔学院的物理和天文系的PeterCollings教授紧密合作，推出了这个成果。

他们的研究被发表在国家科学院院刊上。

“我们的终极目标是将液晶技术与生物技术结合起来。”Yodh说道：“为了做到这一点，我们需要更好的对水基液晶可能出现的结构种类有所理解。液晶是拥有非常长历史的一个领域，但是我们新发现的这些手性结构是新的一种构型以及缺陷，这些是在这么长的历史中都没有被发现过的。”

研究者在这个研究中所调查的液晶被叫做感胶有色液晶，或者LCLCs。LCLCs是一种有机盐，广为人知的名字是“落日黄”或者“黄6”，是非常常用的食用色素，我们可以在橙味苏打，芝士点心以及其他很多产品中发现他们。当他们被放置在水中时，每个分子都会像筹码一样堆叠起来，组成一种显微级别的杆装结构，之后这些杆状结构将会组成更加复杂的长程有序结构。

在早起的研究中，研究组展示了LCLCs封闭在液滴中时的行为。在那个研究中，杆状结构相互链接，就好像是一个圆形围墙一般，但是他们取得这种结构时遇到了非常大的困难。

“液晶有三种不同的形变模式：伸展，弯曲，扭折。”Jeong说道。“在这些液晶里，扭折的阻力非常小。将分子伸展开直到遇到缺陷会消耗非常多的能量，这种缺陷就好像在你的头发上有一撮怎么也理不顺的头发一样，这种结构在液滴的底部或者顶部出现，之后他们就会通过相互扭折释放那种压力。”

但是在细管中，就没有像在液滴中的那种缺陷。它将很有效率的张开。我们想知道当在一个方向上没有限制以及杆状结构必须以细管内壁垂直排列时会发生什么。

当排列在空的玻璃试管中的时候，油基液晶垂直于管壁形成了一种构型，我们叫做“逃离射线”，因为它的有序度似乎正在“逃离”一系列的同心漏斗。

研究者试图将同样的实验实现在水基液晶上，他们在管内镀上一层高分子基底，之后在灌入水和LCLCs。LCLCs将会以同样的方式粘附在边缘上。但是，因为他们对扭折的抵抗力非常的低下，逃离射线的漏斗形状会发生很大程度的扭折，就像一个龙卷风的漩涡一样。

“在描述之前的系统时，我们只需要直到晶体在向哪个方向逃离，比如说东还是西。”Collings说道：“现在我们还需要知道它转动的方向，是左还是右。这是更加丰富的系统。”

在手性螺旋形成之后，实验者加热了整个系统，将每个分子杆随机排列。他们之后将样品降温到排列态，形成一种在能量上最稳定的状态。但是，因为起始状态为随机的，不同部分的样品会形成左旋或者右旋的螺旋，当逃离射线和手性遭遇到不同的逃离方向和手性时，新的一种缺陷就产生了。

“我们增加了新的液晶缺陷类型”Lubensky说道。

令人惊奇的是，缺陷从来都没有没有在手性相同，只是逃离方向不同的两个晶域中产生。

“如果你等的足够久的话，”Yodh说道，“墙的构型也会方式变化，会倾向与构成一个双螺旋结构。我们觉得这是因为液晶重新定向了，但是我们需要更进一步的研究。”

未来的研究将会关注于是否有可能将螺旋结构构成一个特定的手性或者方向，这将是将其应用的道路上非常重要的一环。

新材料在线编译整理——翻译：陈亮