Vědci objevili nový způsob výpočtu pomocí kapalných krystalů

Vědci z University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering prokázali, jak navrhnout základní prvky potřebné pro logické operace s materiálem nazývaným kapalný krystal. Tato nová vývoj je první svého druhu a mohla by vést k zcela novému způsobu provádění výpočtů.

Výzkum byl zveřejněn v Science Advances.

Zatímco nová technika nebude mít za následek transistory nebo počítače hned, mohla by jít dlouhou cestu v vytváření zařízení s novými funkcemi v oblasti výpočtů, senzorů a robotiky.

Juan de Pablo je Liew Family Professor in Molecular Engineering a senior scientist v Argonne National Laboratory. Je také senior autorem výzkumu.

“Ukázali jsme, že můžete vytvořit základní stavební bloky obvodu – brány, zesilovače a vodiče – což znamená, že byste je měli být schopni sestavit do uspořádání schopných provádět složitější operace,” řekl Juan de Pablo. “Je to opravdu vzrušující krok pro oblast aktivních materiálů.”

Kapalné krystaly

Výzkum se silně soustředil na typ materiálu nazývaný kapalný krystal. Jedna z jedinečných vlastností kapalného krystalu je, že jeho molekuly jsou obvykle prodloužené a přijímají somewhat uspořádanou strukturu, když jsou zabalené вместе. Nicméně, tato struktura může měnit se podobně jako kapalina a vědci mohou použít jedinečné vlastnosti, jako je tato, pro stavbu nových technologií.

Různé molekulární uspořádání znamená, že existují místa ve všech kapalných krystalech, kde se uspořádané oblasti mohou dostat do kontaktu s sebou. Protože jejich orientace není dokonale shodná, vědci je nazývají “topologickými defekty” a místa se pohybují, když se kapalný krystal také pohybuje.

Tým vědců zkoumá, zda by tyto defekty mohly být použity pro přenos informací. S tím said, vytváření technologií z nich by vyžadovalo schopnost je pohybovat se, kam je potřeba, a bylo by extrémně obtížné ovládat jejich chování až do tohoto bodu.

“Normálně, pokud byste prohlíželi mikroskopem experiment s aktivním kapalným krystalem, byste viděli kompletní chaos – defekty se pohybují všude,” řekl Juan.

Průlom

Průlom nastal minulý rok s projektem v Pablově laboratoři vedeným Rui Zhangem, který byl postdoktorálním učencem na Pritzker School of Molecular Engineering. Pracoval spolu s Prof. Margaret Gardelovou laboratoří z UChicago a Prof. Zevem Bryantem laboratoří ze Stanfordu.

Tým objevil soubor technik, které by mohly být použity pro kontrolu topologických defektů. Pokud by kontrolovali, kde vkládají energii do kapalného krystalu, což bylo provedeno osvětlující světlo na specifických oblastech, defekty by mohly být směrovány do specifických směrů.

“Tyto defekty mají mnoho charakteristik elektronů v obvodu – můžeme je pohybovat na dlouhé vzdálenosti, zesilovat je a otevírat nebo zavírat jejich transport, jako v tranzistorové bráně, což znamená, že bychom je mohli použít pro relativně sofistikované operace,” řekl Zhang.

Zatímco výpočty naznačují, že systémy by mohly být použity pro výpočty, byly by pravděpodobně více užitečné v oblasti softwarové robotiky. Tým věří, že by mohli vytvořit softwarovou robotiku, která by prováděla některé své vlastní “myšlení” s pomocí aktivních kapalných krystalů.

Také doufají, že topologickými defekty by mohly být použity pro transport malých množství kapaliny nebo jiných materiálů uvnitř malých zařízení.

“Například perhaps by mohla být provedena funkce uvnitř syntetické buňky,” řekl Zhang.

Výzkumný tým také zahrnuje spoluautora a postdoktorálního výzkumníka Ali Mozaffariho z UChicago. Tým bude nyní pracovat na provedení experimentů pro potvrzení teoretických výsledků.