将双手放在身前，无论如何旋转，都不可能将一只手重叠在另一只手上。我们的手是手性的完美例子——手性是一种几何结构，通过这种结构，物体无法叠加到其镜像上。

手性在自然界中无处不在，从我们的双手到内脏器官的排列，再到DNA的螺旋结构。手性分子和材料一直是许多药物疗法、光学设备和功能超材料的关键。迄今为止，科学家们一直认为手性会产生手性，也就是说，手性结构是由手性力和构件产生的。但这一假设可能需要重新调整。

麻省理工学院的工程师最近发现，手性也可以通过非手性手段出现在完全非手性材料中。在2024年1月8日发表在《自然通讯》上的一项研究中，该团队报告了观察到液晶中的手性——液晶是一种像液体一样流动的材料，并且具有像固体一样的无序晶体状微观结构。

他们发现，当流体缓慢流动时，其通常的非手性微观结构会自发组装成大的、扭曲的手性结构。其效果就好像一条蜡笔传送带，全部对称排列，一旦传送带达到一定速度，就会突然重新排列成大的螺旋图案。

鉴于液晶本质上是非手性的，或“非手性的”，几何变换是出乎意料的。因此，该团队的研究开辟了一条生成手性结构的新途径。研究人员设想，这些结构一旦形成，就可以作为螺旋支架来组装复杂的分子结构。手性液晶也可以用作光学传感器，因为它们的结构转变会改变它们与光相互作用的方式。

研究合著者、麻省理工学院机械工程副教授IrmgardBischofberger表示：“这很令人兴奋，因为这为我们提供了一种构建此类流体的简单方法。”“从根本上讲，这是手性出现的一种新方式。”

该研究的共同作者包括主要作者张庆博士。'22，香港科技大学的王伟强和张瑞，以及马萨诸塞大学阿默斯特分校的周爽。

醒目的条纹

液晶是一种物质相，体现了液体和固体的特性。这种中间材料像液体一样流动，并且像固体一样具有分子结构。液晶被用作构成液晶显示器的像素的主要元件，因为其分子的对称排列可以通过电压均匀地切换，从而共同创建高分辨率图像。

麻省理工学院的Bischofberger小组研究流体和软材料如何在自然界和实验室中自发形成图案。该团队致力于了解流体转变的机制，这可用于创建新的可重构材料。

在他们的新研究中，研究人员专注于一种特殊类型的向列液晶——一种含有微观棒状分子结构的水基液体。这些杆通常在整个流体中沿相同方向排列。张最初很好奇流体在不同流动条件下的表现如何。

“2020年，我第一次在家尝试这个实验，”张回忆道。“我有液体样本和一个小显微镜，有一天我只是将其设置为低流量。当我回来时，我看到了这个非常引人注目的图案。”

她和她的同事在实验室重复了最初的实验。他们用两个载玻片制造了一个微流体通道，由一个非常薄的空间隔开，并连接到一个主储液器。研究小组缓慢地将液晶样本泵入储液器并进入板之间的空间，然后在流体流过时拍摄流体的显微镜图像。

与张最初的实验一样，研究小组观察到了意想不到的转变：通常均匀的流体在缓慢穿过通道时开始形成老虎状的条纹。

比绍夫伯格说：“它形成任何结构都令人惊讶，但当我们真正知道它形成什么类型​​的结构时，更令人惊讶。”“这就是手性发挥作用的地方。”

扭曲和流动

通过使用各种光学和建模技术有效地追踪流体的流动，该团队发现流体的条纹出乎意料地具有手性。他们观察到，当不动时，流体的微观棒通常以近乎完美的形式排列。当流体快速泵送通过通道时，杆完全混乱。但在较慢的中间流动中，结构开始摆动，然后像微小的螺旋桨一样逐渐扭曲，每个结构都比下一个转动得稍微多一些。

如果流体继续缓慢流动，扭曲的晶体就会聚集成大的螺旋结构，在显微镜下显示为条纹。

“有一个神奇的区域，如果你轻轻地让它们流动，它们就会形成这些巨大的螺旋结构，”张说。

研究人员对流体动力学进行了建模，发现当流体在粘度和弹性这两种力之间达到平衡时，就会出现大螺旋图案。粘度描述了材料流动的容易程度，而弹性本质上是材料变形的可能性(例如，流体杆摆动和扭曲的容易程度)。

“当这两种力大致相同时，我们就会看到这些螺旋结构，”比绍夫伯格解释道。“令人惊奇的是，纳米级的单个结构可以组装成更大的、非常有序的毫米级结构，只需将它们稍微推离平衡即可。”

研究小组意识到，扭曲的组合具有手性几何形状：如果镜像由一个螺旋构成，则无论螺旋如何重新排列，都不可能将其叠加在原始图像上。手性螺旋是从非手性材料中通过非手性手段产生的，这一事实是第一个，并且指出了一种相对简单的设计结构化流体的方法。

“结果确实令人惊讶和有趣，”米兰大学副教授朱利亚诺·赞切塔(GiulianoZanchetta)说，他没有参与这项研究。“探索这种现象的边界会很有趣。我认为所报道的手性图案是一种在微尺度上周期性调节光学特性的有前途的方法。”

“我们现在有一些旋钮来调整这个结构，”比绍夫伯格说。“这可能会给我们带来一种新的光学传感器，它可以以某种方式与光相互作用。它也可以用作生长和运输药物输送分子的支架。我们很高兴探索这个全新的相空间。”

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