使用液晶弹性体薄膜实现水溶性软物质分子自组装以控制细菌运动

控制水溶性软物质的分子自组装的研究是集物理，化学，生物多学科于一体的综合性研究。Chromonic溶致液晶作为这一种常用的水溶性软物质功能材料已被广泛应用于生物及光电器件中。Chromonic溶致液晶分子呈盘状结构，当其达到一定浓度时，分子间的相互作用会形成柱状超分子结构，从而形成液晶相。但由于其分子间相互作用力很弱，如何有效控制此种水溶性软物质的超分子自组装是一个挑战。液晶弹性体是目前被广泛应用的一种对外界刺激响应的材料，其结合了液晶的各项异性特征以及高分子聚合物的弹性特点，在制备软体机器人、人造肌肉及机械传感器等方面已显示出巨大的应用潜力。美国孟菲斯大学彭晨晖课题组提出使用光学构型的液晶弹性体薄膜来控制chromonic溶致液晶的超分子自组装。在此研究中，该团队首先将液晶弹性体单体与热致液晶混合在一起，然后使用等离子超材料光罩实现了热致液晶的光学构型，从而可进一步控制液晶弹性体单体的分子排布。当对液晶弹性体进行交联之后，便会形成液晶弹性体薄膜，如图1（a）-（c）所示。由于等离子超材料光罩可以实现任意光学构型，因此液晶弹性体中的高分子排布也可实现任意构型的设计，如图1（d）-（i）所示。

图1 （a）-（c），光控取向方法得到液晶弹性体薄膜；（d）-（i）具有不同高分子取向排布的任意构型的液晶弹性体薄膜。

随后使用正己烷溶液将热致液晶移除之后，样品用刀片劈开之后，预设计的具有任意空间排布的液晶弹性体薄膜便可以用来控制chromonic溶致液晶的超分子自组装。图2显示了chromonic溶致液晶的超分子取向与液晶弹性体的高分子取向一致，因此便实现了具有任意光学构型的chromonic溶致液晶的超分子自组装结构。该团队对于此现象给出了物理解释，液晶弹性体中的高分子排布紧密，形成了共同取向的微纳米间隔。这些微纳米尺度的间隔和用光刻的方式得到的微流控通道对于chromonic溶致液晶超分子结构的效用相似，都是使chromonic分子仅在空间间隔间形成超分子自组装结构。

图2. 液晶高分子弹性体薄膜控制溶致液晶的分子自组装

由于chromonic溶致液晶本身的生物兼容性，这种光学构型的水溶性软物质可以直接用于控制细菌运动。该团队将细菌置于chromonic溶致液晶中发现，细菌沿着提前设计的液晶弹性体的高分子排布游动，如图3所示。这也从另一方面佐证了chromonic溶致液晶方向与液晶弹性体薄膜的构型方向一致的论点。此项研究对未来设计生物器件有重要指导意义。