將雙手放在身前，無論如何旋轉，都不可能將一只手重疊在另一只手上。我們的手是手性的完美例子——手性是一種幾何結構，通過這種結構，物體無法疊加到其鏡像上。

手性在自然界中無處不在，從我們的雙手到內臟器官的排列，再到 DNA 的螺旋結構。手性分子和材料一直是許多藥物療法、光學設備和功能超材料的關鍵。到目前為止，科學家們一直認為手性會產生手性——也就是說，手性結構是由手性力和構建模塊產生的。但這一假設可能需要重新調整。

麻省理工學院的工程師最近發現，手性也可以通過非手性手段出現在完全非手性材料中。在《自然通訊》雜志上發表的一項研究中 ，該團隊報告了觀察液晶中的手性——液晶是一種像液體一樣流動的材料，并且像固體一樣具有無序的晶體狀微觀結構。他們發現，當流體緩慢流動時，其通常的非手性微觀結構會自發組裝成大的、扭曲的手性結構。其效果就好像一條蠟筆傳送帶，全部對稱排列，一旦傳送帶達到一定速度，就會突然重新排列成大的螺旋圖案。

鑒于液晶本質上是非手性的，或“非手性的”，幾何變換是意想不到的。因此，該團隊的研究開辟了一條生成手性結構的新途徑。研究人員設想，這些結構一旦形成，就可以作為螺旋支架來組裝復雜的分子結構。手性液晶也可以用作光學傳感器，因為它們的結構轉變會改變它們與光相互作用的方式。

研究合著者、麻省理工學院機械工程副教授 Irmgard Bischofberger 表示：“這令人興奮，因為這為我們提供了一種簡單的方法來構造此類流體。” “從根本上講，這是手性出現的一種新方式。”

該研究的共同作者包括第一作者QingZhangPhD'22、香港科技大學的WeiqiangWang和RuiZhang，以及馬薩諸塞州大學阿默斯特分校的ShuangZhou。

醒目的條紋

液晶是一種物質相，體現了液體和固體的特性。這種中間材料像液體一樣流動，并且像固體一樣具有分子結構。液晶被用作構成液晶顯示器的像素的主要元件，因為其分子的對稱排列可以通過電壓均勻地切換，從而共同創建高分辨率圖像。

麻省理工學院的 Bischofberger 小組研究流體和軟材料如何在自然界和實驗室中自發形成圖案。該團隊致力于了解流體轉變的機制，這可用于創建新的可重構材料。

在他們的新研究中，研究人員專注于一種特殊類型的向列液晶——一種含有微觀棒狀分子結構的水基液體。這些桿通常在整個流體中沿相同方向排列。張最初很好奇流體在不同流動條件下的表現如何。

“2020 年，我第一次在家嘗試這個實驗，”張回憶道。“我有液體樣本和一臺小型顯微鏡，有一天我只是將其設置為低流量。當我回來時，我看到了這個非常引人注目的模式。”

她和她的同事在實驗室重復了最初的實驗。他們用兩個載玻片制造了一個微流體通道，由一個非常薄的空間隔開，并連接到一個主儲液器。研究小組緩慢地將液晶樣本泵入儲液器并進入板之間的空間，然后在流體流過時拍攝流體的顯微鏡圖像。

與張最初的實驗一樣，研究小組觀察到了意想不到的轉變：通常均勻的流體在緩慢穿過通道時開始形成老虎狀的條紋。

“它形成任何結構都令人驚訝，但當我們真正知道它形成什么類型??的結構時，更令人驚訝，”比紹夫伯格說。“這就是手性發揮作用的地方。”

扭曲和流動

通過使用各種光學和建模技術有效地追蹤流體的流動，該團隊發現流體的條紋出乎意料地具有手性。他們觀察到，當不動時，流體的微觀棒通常以近乎完美的形式排列。當流體快速泵送通過通道時，桿完全混亂。但在較慢的中間流動中，結構開始擺動，然后像微小的螺旋槳一樣逐漸扭曲，每個結構都比下一個轉動得稍微多一些。

如果流體繼續緩慢流動，扭曲的晶體就會聚集成大的螺旋結構，在顯微鏡下顯示為條紋。

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

研究人員對流體動力學進行了建模，發現當流體在粘度和彈性這兩種力之間達到平衡時，就會出現大螺旋圖案。粘度描述了材料流動的容易程度，而彈性本質上是材料變形的可能性(例如，流體桿擺動和扭曲的容易程度)。

“當這兩種力大致相同時，我們就會看到這些螺旋結構，”Bischofberger 解釋道。“令人驚奇的是，納米級的單個結構可以組裝成更大的、非常有序的毫米級結構，只需將它們稍微推離平衡即可。”

研究小組意識到，扭曲的組合具有手性幾何形狀：如果鏡像由一個螺旋構成，則無論螺旋如何重新排列，都不可能將其疊加在原始圖像上。手性螺旋是從非手性材料中通過非手性手段產生的，這一事實是第一個，并且指出了一種相對簡單的設計結構化流體的方法。

“我們現在有一些旋鈕來調整這個結構，”比紹夫伯格說。“這可能會給我們帶來一種新的光學傳感器，能夠以某種方式與光相互作用。它還可以用作支架來生長和運輸用于藥物輸送的分子。我們很高興探索這個全新的相空間。”