液晶無所不在。 它們應用廣泛，如手機螢幕、電玩遊戲機、汽車儀錶板和醫療設備。 由於這些液體的獨特性質，如果電流通過液晶顯示器（LCD），它們就會產生顏色：重新排列它們的形狀，它們就會反射不同波長的光。

在適當的條件下，液晶會形成令人驚嘆的結構，讓人聯想到生物系統，如圖所示，液晶為真色（左）和假色（右），絲狀結構為淺藍色，扁平圓盤為黃色。 圖片來源：Christopher Browne

現在，愛德華多-格蘭特（Eduardo D. Glandt）總統講座教授兼化學與生物分子工程系主任奇內杜姆-奧蘇吉（Chinedum Osuji）實驗室的研究人員發現，這些非凡的晶體可能能做更多的事情。 在適當的條件下，液晶會凝結成驚人的結構，自發性地生成絲狀和扁平的圓盤，可以把材料從一個地方傳送到另一個地方，就像複雜的生物系統一樣。 這種洞察力可能會帶來自組裝材料、細胞活動建模的新方法等。

克里斯多福-布朗（Christopher Browne）說：「這就像一個傳送帶網絡，正是這種偶然觀察到的表面上看起來非常逼真的東西–這是最初的線索，它可能是更普遍、更有趣的東西。 “他是奧蘇吉實驗室的博士後研究員，也是最近發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上描述這一發現的論文的共同第一作者。

Browne和Osuji現在是NSF支持的跨學科小組的成員，該小組位於物質結構研究實驗室（LRSM），由佩雷爾曼醫學院細胞與發育生物學副教授Matthew Good和藝術與科學學院化學教授Elizabeth Rhoades領導，研究生物和非生物系統中的凝結物形成。

新型液晶凝聚體產生的細絲和扁平圓盤特寫。 資料來源：克里斯多福-布朗、奇內杜姆-奧蘇吉

最初，Osuji 的實驗室與埃克森美孚公司合作研究介相瀝青，這是一種用於開發高強度碳纖維的物質，如一級方程式賽車和高端網球拍中的碳纖維。 “這些材料是液晶，”Osuji 談到碳纖維本身的化學前驅物時說。 “或者更確切地說，在加工過程中，它們在存在的一段時間內都是液晶”。 在對不同溫度下的凝結物進行實驗時，大須寺實驗室的另一位博士後、論文的另一位共同第一作者森光尤馬（Yuma Morimitsu）注意到了這種材料的不尋常行為。

通常情況下，如果將兩種不相溶（即不可混合）的流體結合在一起，然後加熱到足夠高的溫度迫使它們混合，如果然後冷卻混合物，在某個時刻，混合物就會分離或”去混合”。 通常情況下，這種情況會透過液滴的形成而發生，這些液滴會凝聚成一個獨立的層，這就像如果把油和水混合在一起，最終會在水上面形成一層油一樣。

顯示液晶凝結物形成的影片–右側使用假色來區分細絲（淺藍色）和扁平圓盤（黃色）。 影片為60 倍即時放大和5 倍放大。 資料來源：Christopher Browne， Chinedum Osuji獨特的相分離和結構形成

在這種情況下，液晶–4′-氰基4-十二烷氧基聯苯（又稱12OCB）–在與角鯊烷（一種無色油）分離時自發形成了高度不規則的結構。 Osuji 說：”液晶與系統中的其他成分發生相分離時，不會形成液滴，而是會形成級聯結構，首先是這些細絲，它們迅速生長，隨後形成另一組結構–我們稱之為凸起的圓盤或扁平液滴。

為了了解這個系統，研究人員使用了強大的顯微鏡來觀察液晶在微米尺度上的運動，也就是百萬分之一米，相當於人類頭髮的寬度。 Osuji 回憶說：「我們第一次看到這些結構時，冷卻速度過高，導致液晶凝結在一起。 只有透過降低冷卻速度並進一步放大，研究人員才意識到液晶正在自發形成讓人聯想到生物系統的結構。

有趣的是，布朗發現，幾十年前就有幾位研究人員接近觀察到類似的行為，但他們所研究的系統要么沒有特別明顯的行為，要么缺乏足夠強大的顯微鏡來觀察發生了什麼。

對布朗來說，這項成果最令人興奮的意義在於它將幾個傳統上互不相關的領域結合在了一起：活性物質研究領域（該領域主要研究傳輸材料和產生運動的生物系統）和自組裝與相行為領域（此領域研究能夠自行產生新結構以及在改變相位時具有不同行為的材料）。這是一種新型的活性物質系統。

他和Osuji 也指出，可以利用這些發現來模擬生物系統，以便更好地了解它們的工作原理或製造材料。 “分子被吸收到絲狀物中，然後不斷地穿梭到這些扁平液滴中，”Osuji 說，”儘管僅僅觀察這個系統並不能發現任何明顯的活動。 實際上，扁平液滴可以像小型反應器一樣發揮作用，產生分子，然後由細絲輸送到其他液滴進行儲存或進一步的化學反應。

研究人員也表示，他們的發現可能會重振液晶本身的研究。當一個領域實現工業化後，基礎研究往往會逐漸減少。 但有時會有一些懸而未決的難題，沒有人能夠解決。

編譯自/ ScitechDaily