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。到目前为止，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建模块产生的。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《自然通讯》杂志上发表的一项研究中 ，该团队报告了观察液晶中的手性——液晶是一种像液体一样流动的材料，并且像固体一样具有无序的晶体状微观结构。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”，几何变换是意想不到的。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 Irmgard Bischofberger 表示：“这令人兴奋，因为这为我们提供了一种简单的方法来构造此类流体。” “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第一作者QingZhangPhD'22、香港科技大学的WeiqiangWang和RuiZhang，以及马萨诸塞州大学阿默斯特分校的ShuangZhou。

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。“我有液体样本和一台小型显微镜，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模式。”

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。

“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，”比绍夫伯格说。“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，”Bischofberger 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。

“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，能够以某种方式与光相互作用。它还可以用作支架来生长和运输用于药物输送的分子。我们很高兴探索这个全新的相空间。”