將雙手舉在面前，無論如何旋轉，都無法將其中的一個疊加到另一個上。我們的手就是手性的一個完美例子，手性是一種幾何構造，物體無法疊加在其鏡像上。手性在大自然中無所不在，從我們的手到我們內部器官的排列，再到DNA 的螺旋結構。手性分子和材料是許多藥物療法、光學設備和功能超材料的關鍵。迄今為止，科學家一直認為手性產生手性–也就是說，手性結構產生於手性作用力和構件。但這一假設可能需要重新調整。

麻省理工學院的工程師觀察到，當液體緩慢流動時，液晶的有序微結構會自發性地組合成大型扭曲結構（如圖）。圖片來源：研究人員提供

麻省理工學院的突破性發現

麻省理工學院的工程師最近發現，手性也可以出現在完全非手性的材料中，而且是透過非手性的方式。在最近發表於《自然-通訊》（Nature Communications）上的一項研究中，研究小組報告說，他們在一種液晶中觀察到了手性–一種像液體一樣流動、像固體一樣具有非有序晶體狀微觀結構的材料。

他們發現，當流體緩慢流動時，其正常的非手性微結構會自發性地組合成大型、扭曲的手性結構。這種效果就好像一條蠟筆傳送帶，所有蠟筆都是對稱排列的，當傳送帶達到一定速度時，蠟筆會突然重新排列成大型螺旋圖案。

麻省理工學院的一項研究發現，當液晶緩慢流動時，其通常有序的微觀結構（左下圖）會自發性地旋轉和扭曲，形成宏觀尺度的虎紋狀條紋。這項發現為設計用於藥物輸送和光學感測的結構液體開闢了新途徑。圖片來源：研究人員提供

手性液晶的潛力

鑑於液晶天然是非手性的，或者說是”非手性”的，這種幾何轉換是出乎意料的。因此，研究小組的研究為生成手性結構開闢了一條新途徑。研究人員設想，這種結構一旦形成，就可以作為螺旋支架，在其中組裝複雜的分子結構。手性液晶也可用作光學感測器，因為它們的結構轉變將改變它們與光的相互作用方式。

這項研究的合著者、麻省理工學院機械工程副教授Irmgard Bischofberger 說：”這令人興奮，因為它為我們提供了一種構造這類流體的簡單方法。從根本上說，這是手性出現的一種新方式”。

研究的共同作者包括第一作者、22 歲的張慶（音譯）博士、香港科技大學的王偉強和張瑞，以及麻薩諸塞大學阿默斯特分校的周爽。

醒目的條紋

液晶是一種同時具有液體和固體特性的物質相。這種介於兩者之間的材料像液體一樣流動，分子結構像固體一樣。液晶是構成液晶顯示器像素的主要元素，因為液晶分子的對稱排列可以透過電壓均勻切換，從而共同形成高解析度影像。

Bischofberger 在麻省理工學院的研究團隊研究流體和軟材料如何在自然和實驗室中自發形成圖案。研究小組試圖了解流體轉化的基本力學原理，這些原理可用於製造新型可重構材料。

探索流體動力學

在他們的新研究中，研究人員重點研究了一種特殊類型的向列液晶–一種含有微小棒狀分子結構的水基流體。在整個流體中，桿狀分子結構通常會朝同一方向排列。張瑞最初對這種液體在各種流動條件下的表現感到好奇。

“2020年，我在家裡第一次嘗試了這個實驗，”張回憶道。”我有液體樣本和一個小型顯微鏡，有一天我把它調到低流量。當我回來時，我看到了這個非常引人注目的圖案。”

她和同事們在實驗室裡重複了最初的實驗。他們用兩塊玻璃板製作了一個微流體通道，兩塊玻璃板之間隔著很薄的空間，並與一個主貯水池相連。研究團隊緩慢地將液晶樣品泵入儲液器，再泵入玻片之間的空間，然後拍攝液體流過時的顯微鏡影像。

與張博士最初的實驗一樣，研究小組觀察到了意想不到的變化：通常均勻的流體在通道中緩慢移動時，開始形成虎紋狀條紋。

Bischofberger 說：”它形成的任何結構都令人驚訝，但當我們真正知道它形成的是哪種結構時，就更令人驚訝了。這就是手性的作用所在”。

扭轉與流動

研究小組利用各種光學和建模技術有效地回溯了流體的流動過程，意外地發現流體的條紋具有手性。他們觀察到，在不動的情況下，流體的微觀桿通常排列得近乎完美。當流體被快速泵送通過通道時，微棒會完全混亂。但在流速較慢、介於兩者之間的情況下，這些結構開始擺動，然後像微小的螺旋槳一樣逐漸扭曲，每一根都比下一根轉得稍多一些。

如果流體繼續緩慢流動，扭曲的晶體就會聚集成大型螺旋結構，在顯微鏡下呈現條紋狀。

張說：”這裡有一個神奇的區域，如果你輕輕地讓它們流動，它們就會形成這些大的螺旋結構。”

研究人員建立了流體動力學模型，發現當流體在黏度和彈性這兩種力之間達到平衡時，就會出現大型螺旋圖案。黏度描述的是材料流動的容易程度，而彈性則主要是指材料變形的可能性（例如，流體的棒狀物擺動和扭曲的容易程度）。

比紹夫伯格解釋說：”當這兩種力大致相同時，我們就會看到這些螺旋結構。奈米級的單一結構，只需將其推離平衡狀態一點點，就能組裝成更大的、毫米級的結構，而且非常有序，這有點令人驚訝。”

研究小組意識到，扭曲的組合體具有手性幾何結構：如果將一個螺旋做成鏡像，那麼無論怎樣重新排列螺旋，都不可能將其疊加到原來的螺旋上。手性螺旋從一種非手性材料中以非手性方式產生，這是一個創舉，也為結構流體的工程化提供了一種相對簡單的方法。

影響和未來方向

米蘭大學副教授朱利亞諾-贊切塔（Giuliano Zanchetta）並沒有參與這項研究，他說：「研究結果確實令人驚訝，也很有趣。探索這一現象的邊界將是非常有趣的。我認為報告中的手性圖案是在微觀尺度上週期性調節光學特性的一種很有前景的方法”。

編譯自: ScitechDaily