Forskere Opdager Ny Metode Til Computering Med Flydende Krystal

Forskere fra University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering har demonstreret, hvordan man kan designe de grundlæggende elementer, der er nødvendige for logiske operationer med et materiale kaldet flydende krystal. Den nye udvikling er den første af sin art og kan føre til en helt ny måde at udføre beregninger på.

Forskningen blev offentliggjort i Science Advances.

Selvom den nye teknik ikke vil resultere i transistorer eller computere med det samme, kan den gå langt i at skabe enheder med nye funktioner inden for beregning, sensing og robotteknologi.

Juan de Pablo er Liew Family Professor i Molecular Engineering og seniorforsker ved Argonne National Laboratory. Han er også seniorforfatter på forskningen.

“Vi har vist, at man kan skabe de grundlæggende byggesten til en kredsløb – porte, forstærkere og ledere – hvilket betyder, at man skal kunne samle dem i arrangementer, der kan udføre mere komplekse operationer,” sagde Juan de Pablo. “Det er et rigtig spændende skridt for feltet af aktive materialer.”

Flydende Kristaller

Forskningen fokuserede kraftigt på en type materiale kaldet flydende krystal. En af de unikke egenskaber ved flydende krystal er, at dets molekyler normalt er forlængede, og de antager en lidt ordnet struktur, når de pakkes sammen. Men denne struktur kan skifte rundt ligesom en væske, og videnskabsmænd kan bruge disse unikke egenskaber til at bygge nye teknologier.

De forskellige molekylære ordninger betyder, at der er steder i alle flydende kristaller, hvor de ordnede regioner kan komme i kontakt med hinanden. Da deres orienteringer ikke matcher perfekt, kalder videnskabsmænd det “topologiske defekter”, og disse steder bevæger sig rundt, når flydende kristallen også bevæger sig.

Forskerholdet undersøger, om disse defekter kan bruges til at bære information. Men for at skabe teknologi ud af dem kræver det evnen til at flytte dem rundt, hvor man ønsker, og det har været ekstremt svært at kontrollere deres adfærd indtil nu.

“Normalt, hvis man kigger gennem et mikroskop på et eksperiment med en aktiv flydende krystal, ville man se komplet kaos – defekter, der skifter rundt overalt,” sagde Juan.

Gennembruddet

Gennembruddet kom sidste år med et projekt i Pablos laboratorium ledet af Rui Zhang, der var en postdoktor ved Pritzker School of Molecular Engineering. Han arbejdede sammen med professor Margaret Gardels laboratorium fra UChicago og professor Zev Bryants laboratorium fra Stanford.

Holdet opdagede en række teknikker, der kunne bruges til at kontrollere de topologiske defekter. Hvis de kontrollerede, hvor de satte energi ind i flydende kristallen, hvilket blev gjort ved at lyse på bestemte områder, kunne defekterne føres i bestemte retninger.

“Disse har mange af de samme egenskaber som elektroner i en kredsløb – vi kan flytte dem over lange afstande, forstærke dem og lukke eller åbne deres transport som i en transistorport, hvilket betyder, at vi kunne bruge dem til relativt sofistikerede operationer,” sagde Zhang.

Selvom beregninger antyder, at systemerne kunne bruges til beregninger, ville de sandsynligvis være mere nyttige inden for feltet soft robotteknologi. Holdet tror, at de kunne skabe soft robotter, der udfører nogen af deres egne “tanker” med hjælp af aktive flydende kristaller.

De håber også, at de topologiske defekter kunne bruges til at transportere små mængder af væske eller andre materialer inde i små enheder.

“For eksempel kunne man måske udføre funktioner inde i en syntetisk celle,” sagde Zhang.

Forskerholdet inkluderer også medforfatter og UChicago-postdoktorforsker Ali Mozaffari. Holdet vil nu arbejde på at udføre eksperimenter for at bekræfte teoretiske fund.