Forscher entdecken neue Art des Rechnens mit Flüssigkristallen

Forscher an der University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering haben gezeigt, wie man die grundlegenden Elemente für Logikoperationen mit einem Material namens Flüssigkristall entwerfen kann. Die neue Entwicklung ist die erste ihrer Art und könnte zu einer völlig neuen Art des Rechnens führen. 

Die Forschung wurde in Science Advances. veröffentlicht.

Während die neue Technik nicht sofort zu Transistoren oder Computern führen wird, könnte sie dazu beitragen, Geräte mit neuen Funktionen in der Rechnertechnik, Sensorik und Robotik zu schaffen.

Juan de Pablo ist Liew Family Professor für Molekültechnik und Senior Scientist am Argonne National Laboratory. Er ist auch der Senior-Autor der Forschung. 

“Wir haben gezeigt, dass man die elementaren Bausteine eines Schaltkreises – Tore, Verstärker und Leiter – erstellen kann, was bedeutet, dass man sie in Anordnungen zusammenfügen kann, die komplexere Operationen ausführen können”, sagte Juan de Pablo. “Es ist ein wirklich aufregender Schritt für das Feld der aktiven Materialien.”

Flüssigkristalle

Die Forschung konzentrierte sich stark auf eine Art von Material namens Flüssigkristall. Eine der einzigartigen Eigenschaften von Flüssigkristallen ist, dass ihre Moleküle normalerweise verlängert sind und sie eine bestimmte Ordnung annehmen, wenn sie zusammengepackt werden. Diese Ordnung kann sich jedoch ändern, ähnlich wie bei einer Flüssigkeit, und Wissenschaftler können diese einzigartigen Eigenschaften nutzen, um neue Technologien zu entwickeln. 

Die unterschiedliche molekulare Ordnung bedeutet, dass es in allen Flüssigkristallen Bereiche gibt, in denen die geordneten Regionen in Kontakt miteinander treten können. Da ihre Ausrichtungen nicht perfekt übereinstimmen, nennen Wissenschaftler dies “topologische Defekte”, und diese Bereiche bewegen sich, wenn sich der Flüssigkristall bewegt. 

Das Team von Wissenschaftlern erforscht, ob diese Defekte verwendet werden können, um Informationen zu übertragen. Um jedoch Technologien aus ihnen zu entwickeln, müsste man in der Lage sein, sie zu kontrollieren und an bestimmten Stellen zu platzieren, was bisher extrem schwierig war.

“Normalerweise würde man, wenn man durch ein Mikroskop auf ein Experiment mit einem aktiven Flüssigkristall schaut, völliges Chaos sehen – Defekte, die überall herumlaufen”, sagte Juan.

Durchbruch

Der Durchbruch kam letztes Jahr mit einem Projekt in Pablos Labor, das von Rui Zhang geleitet wurde, der ein Postdoktorand an der Pritzker School of Molecular Engineering war. Er arbeitete zusammen mit Prof. Margaret Gardels Labor von der UChicago und Prof. Zev Bryants Labor von Stanford. 

Das Team entdeckte eine Reihe von Techniken, die verwendet werden können, um die topologischen Defekte zu kontrollieren. Wenn sie kontrollierten, wo sie Energie in den Flüssigkristall einbrachten, was durch das Einleuchten von Licht auf bestimmte Bereiche erfolgte, konnten die Defekte in bestimmte Richtungen gelenkt werden. 

“Diese haben viele der Eigenschaften von Elektronen in einem Schaltkreis – wir können sie über weite Strecken bewegen, verstärken und wie in einem Transistorschaltkreis öffnen oder schließen, was bedeutet, dass wir sie für relativ komplexe Operationen verwenden könnten”, sagte Zhang.

Während Berechnungen nahelegen, dass die Systeme für Rechnungen verwendet werden könnten, wären sie wahrscheinlich mehr in dem Bereich der weichen Robotik nützlich. Das Team glaubt, dass sie weiche Roboter entwickeln könnten, die mit Hilfe von aktiven Flüssigkristallen einiges von ihrem eigenen “Denken” ausführen könnten. 

Sie hoffen auch, dass die topologischen Defekte verwendet werden könnten, um kleine Mengen an Flüssigkeit oder anderen Materialien in winzigen Geräten zu transportieren. 

“Vielleicht könnte man beispielsweise Funktionen innerhalb einer synthetischen Zelle ausführen”, sagte Zhang. 

Das Forschungsteam umfasst auch den Co-Autor und UChicago-Postdoktoranden Ali Mozaffari. Das Team wird nun Experimente durchführen, um theoretische Erkenntnisse zu bestätigen.