盡管許多科學成就來自長期的精心計劃，但研究人員偶爾會偶然發(fā)現(xiàn)完全出乎意料的事物。研究生魏偉韶說：“一開始，我們一直在尋求創(chuàng)造一種特殊的效果。” “然后，我們觀察到一些奇怪的東西。”

《自然》雜志上的一項新研究通過顯示當溫度下降時含有鏈狀液晶分子的液滴如何轉變成復雜的形狀來詳細描述這一“怪異”的發(fā)現(xiàn)。由研究生Sophie Ettinger博士Wei主持。明礬夏霞，舒陽和Arjun Yodh的發(fā)現(xiàn)為人們提供了關于分子多分散性(液晶分子的長度差異很大的條件)如何驅動簡單的液滴轉變?yōu)椴煌螤畹男抡J識。

液晶由稱為介晶的棒狀或盤狀分子組成，由于這些介晶的排列，液晶在固體和液體的物理性質之間顯示出顯著的物理性質。本研究中使用的液晶與LCD屏幕使用的液晶具有相似的特性，但由低聚物，柔性的短鏈聚合物(由較小的棒狀分子構件組成)制成。

Wei的最初目標是使用Yang實驗室中的這種液晶來制造Janus液滴，該液滴在液滴的相對兩側包含兩種不同類型的材料-在這種情況下，其中一半將是一個橡膠狀網絡，稱為液晶彈性體，通過交聯(lián)將液晶分子“鎖定”在適當位置而制成，另一半是硅樹脂。

魏很快發(fā)現(xiàn)液滴反而轉變成奇怪的絲狀結構。最初，研究人員認為他們所看到的是實驗錯誤，但是由于結果是可重復的，因此他們意識到這是他們應該嘗試理解的新事物。

尤德說：“這是一種視覺上的壯觀效果。我根本沒想到。” “我們試圖使設計師掉線，但在此過程中，我們看到了一些有趣且與眾不同的東西。”

研究人員對他們的奇怪結果感到驚訝和困惑，他們開始進行嚴格的調查，以解釋他們所看到的。在Yang實驗室的幫助下，Wei研究了包含不同長度液晶元的液晶低聚物混合物的液滴。研究人員改變了低聚物的鏈長，使用了不同的表面活性劑將液滴保持在一起，并探索了簡單的理論模型以理清他們的發(fā)現(xiàn)。

研究人員開發(fā)的模型的基本特征是，液滴的結構由兩個力驅動：表面張力，流體表面收縮到可能的最小區(qū)域的趨勢以及彈性能，其中一個例子是存儲的機械能在諸如彈簧床或弓箭手之類的可彎曲物體中。為了使表面能最小，液晶滴通常形成一個球，其形狀具有最小的體積比。但是，在液滴內部，單個桿既要垂直于球體的表面，又要與其他桿平行。

在高溫(?90 C /?194 F)下，這些相反的力在起作用，液晶滴呈球形，并具有經典的“徑向刺猬”內部結構，其中所有桿都指向中心，這種配置需要彈性能量才能形成。然后，當溫度降低時，表面張力和彈性能發(fā)生變化，并且液滴的形狀和液滴內部的棒的排列都發(fā)生變化，從而使總的能量成本最小化。

偶然地，所產生的液滴結構形成了驚人的復雜形狀陣列，從類似于微觀菊花的“花”到纏結纖維的龐大“美杜莎”網絡。效果也是可逆的，液滴可以從球體到纏結的網絡，然后又返回。

除了引人注目的新液滴形態(tài)外，這項工作的令人驚訝的發(fā)現(xiàn)之一是，這種奇怪現(xiàn)象的關鍵在于液滴中既有長鏈棒也有短鏈棒-從科學的角度來說，液晶系統(tǒng)具有多分散性。

當棒狀介晶的長度相似時，看不到任何奇怪的影響，但是如果它們的長度不同，則棒會根據(jù)其長度移動到液滴內部的不同位置。由較小鏈條制成的桿優(yōu)先移動到彈性能量較大的位置，靠近液滴的中心，而由較大鏈條制成的桿移動到表面。

Yodh解釋說：“通常，當樣品中包含大小，長度，甚至成分不同的成分的混合物時，就會抹去或完全防止相變或自組裝事件發(fā)生，但是，混合物中的多分散性有助于之所以會產生這種效果，是因為不同長度的鏈可以移動到液滴的不同部分。對于同質的單分散系統(tǒng)，這不會發(fā)生。”

盡管仍然存在許多問題，例如為什么液滴會以奇怪的方式分叉，從而使材料看起來還很活潑，但研究人員希望利用這些見解來探索新的應用和概念。

Yodh說：“我們決定使用這些特定的液晶低聚物的原因是，我們可以將它們交聯(lián)并制成彈性體。”他補充說，可以使用這些和其他類似種類的鏈狀液晶分子來制造新型軟材料，例如可驅動的纖維，它們可以響應溫度或濕度而移動和改變形狀。

研究人員還考慮了其??他現(xiàn)象，其中多分散性在驅動材料的組裝以及塑造其結構和功能方面發(fā)揮著作用。生物學中的分子異質性可能與研究人員在多分散鏈狀液晶分子中的發(fā)現(xiàn)有關，并且可能會促進基于生命世界中已經存在的物質合成和圖案化材料的方法-自然界中發(fā)現(xiàn)的許多聚合物，例如天然橡膠，木質纖維素和絲綢本身就是多分散的。

楊說：“總的來說，科學家傾向于控制事物-您想要控制以便了解它，因此我們通常嘗試制造和使用單分散系統(tǒng)。” “但是在生物學中，原始材料有時是具有不同鏈長和不同功能的分子的混合物：它們可以具有不同的剛度，疏水性或親水性，這就是為什么它如此難以理解。”

研究人員希望通過結合材料科學和工程學與物理學的努力，以“ MRSEC精神”的協(xié)作進行的這項研究將鼓勵其他人看到多分散性的新含義和可能的好處。

Yodh補充說：“這項工作很有趣。” “從一開始就感到驚訝是很有趣的，然后試圖理解這么長時間卻很沮喪?；厥姿苡腥ぁ＞酆衔锏臒o序性使事情有所不同。”